Curso de desmonte de rocha, Notas de aula de Engenharia de Materiais. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
LucianoSobias
LucianoSobias13 de Agosto de 2015

Curso de desmonte de rocha, Notas de aula de Engenharia de Materiais. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS

CURSO DE ENGENHARIA DE MINAAS

Notas de aulas

DISCIPLINA: PERFURAÇÃO E DESMONTE DE ROCHAS (carga horária 75 horas) Professor: José Ildefonso Gusmão Dutra

Fev/2009

Programa 1. Introdução

1.1 Histórico 1.2 Operações de desmonte, carregamento e transporte 1.3 Características dos maciços rochosos 1.4 Métodos de desmonte

2. Desmonte mecânico

2.1 Introdução aos equipamentos de desmonte mecânico 2.2 Descrição e locomoção dos equipamentos 2.3 Estimativa de produção dos equipamentos de desmonte 2.4 Seleção de equipamento 2.5 Operação e manutenção dos equipamentos

3. Desmonte a explosivo

3.1 Perfuração para o desmonte 3.2 Explosivos 3.3 Desmonte com explosivos 3.4 Meio-ambiente 3.5 Planejamento e projeto de desmonte

1. Introdução

São diversos e consideráveis os fatores que apontam para o emprego da mineração a céu

aberto, dadas as suas tendências econômicas e tecnológicas. Dentre eles destacam-se o aumento de produção de bens minerais (resultante da ampliação na demanda por substância mineral que o crescimento populacional e o consumo per capita acarretaram), e a diminuição de teor e qualidade dos minérios. Paradoxalmente, com a queda no teor e na qualidade das jazidas, a produtividade tem também crescido, graças ao rápido progresso tecnológico que tem ocorrido na mineração a céu aberto. Tudo isso tem possibilitado a recuperação de muitas reservas minerais anteriormente consideradas anti-econômicas.

De um modo geral, pode-se considerar que a mineração a céu aberto é mais vantajosa do que a mineração subterrânea em termos de recuperação, controle de teor, economia, flexibilidade de operação, segurança e ambiente de trabalho. Há, entretanto, muitos depósitos que são demasiado pequenos, irregulares e profundos para serem extraídos economicamente por mineração a céu aberto. Além disso, onde a mineralização se estende a uma grande profundidade, o considerável aumento na quantidade de capeamento a ser movimentado impõe gastos muito elevados, sendo mais economicamente profícuo optar pela lavra subterrânea, Possivelmente, uma grande força a favor da mineração subterrânea resulta do aperfeiçoamento de técnicas geológicas, geofísicas, de avaliação e de lavra para descobrir e lavrar depósitos minerais além da profundidade econômica para mineração a céu aberto.

Além disso, vários estudiosos da Engenharia de Minas consideram que as condições atuais e futuras forçarão uma reversão na tendência atual de lavra a céu aberto para lavra subterrânea. Mudanças de atitude da sociedade no que diz respeito ao controle ambiental têm contribuído para o aumento substancial nos custos de operações de lavra a céu aberto. Futuras leis poderão tornar proibitiva a mineração a céu aberto próxima a áreas urbanas. Entretanto, no processo de lavra subterrânea, a busca da máxima recuperação conduz à utilização de técnicas de abatimento que implicam em problemas ambientais significativos. E apesar das implicações econômicas impostas à lavra a céu aberto pela preservação do meio ambiente, ainda é possível manter a viabilidade econômica de inúmeras minerações a céu aberto, como também viabilizar novos projetos de mineração. Isto se deve principalmente ao fato da crescente preocupação que os mineradores têm manifestado com os problemas ambientais, o que tem possibilitado o desenvolvimento de técnicas de controle do meio ambiente e de recuperação das áreas degradadas. Tudo isso tem sido considerado no estudo de viabilidade da mineração.

1.1. Histórico

A mineração foi, sem dúvida, a segunda atividade mais primitiva do homem, considerando que a agricultura foi a primeira. Agricultura e mineração, certamente, figuram juntas como as atividades industriais primárias ou básicas da civilização humana.

Desde os tempos pré-históricos a mineração tem sido essencial para a existência do homem, fornecendo materiais para combustível, abrigo e obtenção de alimento. O grande impacto dos produtos de mineração no homem pode ser evidenciado pelo fato dos antropólogos terem relacionado os grandes períodos da história a atividades de mineração: Paleolítico ( idade da pedra lascada ), Neolítico ( idade da pedra polida), idade do Bronze ( 4000 - 1800 AC no oriente e 2000 - 1000 AC na Europa ) e idade do Ferro, após a idade do bronze. Depois sucederam a era do Aço (1780 a 1945) e a era Nuclear (a partir de 1945).

Hoje em dia o padrão de vida dos povos do mundo muitas vezes é comparado na base do consumo per capita de vários metais. E não é uma coincidência que muitos acontecimentos importantes na história da humanidade tenha sido realizados tendo a busca de minerais como o principal objetivo. Como exemplo, pode-se citar a viagem de Marco Pólo à China, de Vasco da Gama à África e à Índia, a descoberta do novo continente por Colombo e a moderna corrida do ouro que conduziu à colonização da Califórnia, África do Sul, Austrália, Canadá etc.

Também é possível associar os minerais e a mineração com a ascensão da civilização Grega, a expansão do império Romano na Espanha, Portugal e Grã-Bretanha, a conquista das Américas pelos Portugueses, Espanhóis, Franceses e Ingleses e a colonização da África e parte da Ásia, todas elas motivadas pela cobiça por riquezas minerais.

Como uma das mais primitivas atividades do homem, e estando certamente entre suas primeiras tarefas organizadas, a mineração tem uma história antiga e respeitável. Para entender as práticas modernas na indústria mineral, por exemplo, é necessário ter conhecimento da evolução da

tecnologia de mineração, que tem um paralelo com a própria evolução do homem e o avanço da civilização.

Os mineiros primitivos utilizavam suas mãos e implementos de madeira, osso, pedra e mais tarde de metal com os quais escavavam e extraiam os minerais. Provavelmente, com o advento do sistema social, a mineração tornou-se mais organizada, utilizando trabalho escravo sob supervisão. Nas sociedades primitivas, implementos foram improvisados, a cunha e o malho foram inventados, cestas foram feitas para transporte de rocha e água, escadas e molinetes (guinchos) ajudavam no transporte e iluminação com candeias ou outras lâmpadas foram introduzidos.

A mineração teve início com o homem paleolítico há uns 450.000 anos atrás. No início era extraído material em bruto a partir de escavações à superfície. Posteriormente, na idade da pedra polida, foi implementada a mineração subterrânea, utilizando-se aberturas de 0,6 a 0,9 metros de diâmetro e cerca de 9 metros de profundidade. Desde o início, os mineiros empregavam métodos rudimentares de controle de terreno, ventilação, içamento, iluminação e fragmentação da rocha.

Inicialmente, os metais eram extraídos na sua forma nativa, provavelmente obtidos em depósitos de placer. Com o advento das idades do bronze e do ferro, entretanto, o homem desenvolveu técnicas de fundição e aprendeu a reduzir minérios para a forma de metal ou ligas.

Minas subterrâneas foram escavadas até profundidades de várias centenas de metros, por exemplo, no antigo Egito; minas de esmeralda no mar vermelho chegaram a cerca de 250 metros de profundidade e a uma extensão suficiente para empregar 400 trabalhadores ao mesmo tempo. Algumas minas Romanas na Espanha foram a 200 metros de profundidade.

Muitas minas foram trabalhadas, em tempos antigos, em torno do Mediterrâneo. E já na Grécia Clássica Aristóteles mencionara minerações em suas obras. Entretanto, nenhum tratado notável sobre mineração foi publicado até o século XVI. O primeiro grande tratado só foi publicado em 1556 por Georgius Agricola, com o título "De Re Metalica", somente traduzido para o inglês em 1912.

O primeiro grande desafio tecnológico que os mineradores enfrentaram foi, certamente, a quebra do material rochoso. Para tanto, eram utilizadas ferramentas rudimentares de osso, madeira e pedra que provocavam fendas na rocha, que eram depois abertas através de cunhas. Logo cedo foi inventada a técnica revolucionária que utilizava calor para aquecer e expandir a rocha e água para resfriá-la, contraindo-a e fragmentando-a. Dentre as grandes descobertas do gênero humano, aquelas relativas à arte e à ciência da fragmentação da rocha são de fundamental importância, as quais foram as primeiras a vencer dificuldades tecnológicas em mineração.

A Revolução Industrial criou uma demanda de metais que intensificou a procura de minerais e acelerou o desenvolvimento de novas minas nos séculos XVII e XVIII. A primeira importante mudança na prática de mineração foi a introdução da pólvora negra para desmonte de rocha em 1627, na Hungria. Em 1718, a mina de estanho de Cornish foi drenada por bombeamento. Este foi um grande avanço que possibilitou a lavra de veios a grandes profundidades.

A utilização da máquina a vapor e do compressor de ar amplificou enormemente a energia em relação ao esforço muscular humano, até então o mais comumente aplicado na mineração. No final do século XIX, as perfuratrizes de rocha, sob carretas, foram introduzidas e a descoberta da eletricidade deu grande ímpeto à mecanização e tornou a aplicação de maquinaria mais flexível.A introdução da pá-mecânica, a vapor, na mineração a céu aberto, um pouco antes da primeira Guerra Mundial, foi um outro acontecimento importante para o aumento de produtividade.

O progresso tecnológico da indústria mineral foi bastante acentuado após a Primeira Guerra Mundial. Atualmente já é possível utilizar mineradores contínuos em lavras subterrâneas, dispensando o uso de perfuração e desmonte por explosivos. O transporte do material também pode ser feito de modo contínuo até a superfície, por meio de correias transportadoras.

Em mineração a céu aberto, já na década de 70 era utilizada dragline com capacidade de caçamba de 220 jardas cúbicas e shovel com 180 jardas cúbicas, em lavras por tiras.

A tendência ao aumento de mecanização e o projeto de usinas com alta capacidade de produção tem aumentado consideravelmente a eficiência das atividades de mineração e tem sido responsável por ganhos em produtividade, tudo isto como conseqüência do aumento na demanda por minerais.

Não só a evolução dos equipamentos de mineração foi responsável pela evolução da mineração, mas sobretudo o desenvolvimento de tecnologia aplicada ao processo produtivo. Neste aspecto, devem ser considerados o desenvolvimento da geoestatística, da mecânica das rochas, da pesquisa operacional e a utilização cada vez mais intensa de recursos de informática nas várias fases da mineração.

1.2. Operações de desmonte, carregamento e transporte

A mineração como um todo envolve um conjunto de aspectos que visam, basicamente, à descoberta do bem mineral, à sua avaliação, à criação de condições para sua extração e à sua extração propriamente dita. Este conjunto pode ser dividido nas seguintes etapas que constituem as 4 fases da mineração: prospecção, exploração, desenvolvimento e lavra. A prospecção e a exploração constituem a pesquisa mineral, que é, grosso modo, responsável pela descoberta e caracterização de ocorrências minerais visando a sua utilização econômica.

Embora a seqüência normal seja aquela apresentada acima, as fases não são realizadas isoladamente. É muito comum que ocorra sobreposição de fases como a lavra experimental durante a pesquisa, ou mesmo que a pesquisa mineral continue após o início da lavra, como se passa na geologia de mina, que nada mais é do que uma pesquisa de detalhamento durante a lavra. Desse modo, as fases da mineração devem ser encaradas sob o ponto de vista de suas finalidades, de acordo com as características do depósito.

Durante os estágios de desenvolvimento e explotação na mineração, quando materiais naturais (rocha ou solo, minério ou rejeito) são extraídos, operações unitárias similares são empregadas. E tais operações consistem nos passos básicos empregados na produção mineral a partir do depósito.

O ciclo de produção emprega as operações unitárias, que são normalmente agrupadas em duas funções: a) quebra da rocha; b) movimentação dos materiais. A quebra (fragmentação) da rocha inclui uma variedade de mecanismos. Para o desmonte de rochas brandas normalmente são utilizados equipamentos mecânicos. Para rochas mais resistentes é feito o desmonte a explosivo. A movimentação geralmente compreende o carregamento, o transporte e a descarga do material.

Quando as operações contribuem diretamente para a extração do bem mineral, é comum serem chamadas de operações de produção. Quando as operações dão suporte às atividades de mineração, mas não estão diretamente ligadas a ela, são comumente chamadas de operações auxiliares e têm como objetivo garantir a segurança das operações e dos trabalhadores como também aumentar a eficiência das operações de lavra.

As operações unitárias são caracterizadas principalmente pelos equipamentos utilizados. Recentemente, a mineração é quase totalmente mecanizada. Mesmo a distinção entre operações unitárias em mineração a céu aberto e mineração subterrânea já se resume a uma questão de escala. Os equipamentos usados em ambas são bastante similares em princípio de funcionamento e função.

A seqüência de operações unitárias utilizadas para executar desenvolvimento e lavra de uma mina é chamada de ciclo de operações. Na maioria das minerações há quatro operações básicas no ciclo de produção:

Ciclo Básico de Produção Perfuração + Desmonte + Carregamento + Transporte

O ciclo de produção é usado ou modificado para se ajustar às condições de cada caso. O

termo “ciclo” indica que as operações são de natureza cíclica. Mas apesar da natureza cíclica das operações de lavra ser bastante comum hoje em dia, o aperfeiçoamento da indústria mineral tende a progredir de uma tecnologia essencialmente intermitente (cíclica) para um processo contínuo. Isso já vem ocorrendo principalmente em mineração subterrânea.

As operações de carregamento são realizadas com o objetivo de transportar o material desmontado para o equipamento de transporte. Usualmente isto é feito por unidades escavo- carregadeiras ou por unidades carregadeiras. Os equipamentos de carregamento devem estar adequadamente especificados e dimensionados de acordo com o tipo de material, com a produção desejada e com o tipo de equipamento de transporte.

A caçamba do equipamento de carregamento deve ser dimensionada em função do britador para controlar o tamanho do maior bloco a ser admitido no britador. O equipamento de carregamento deve ser dimensionado também em função do equipamento de transporte para evitar operações inadequadas e número de ciclos excessivos.

O material desmontado não deve estar muito espalhado, evitando-se assim aumento no ciclo de carregamento.

Outro critério muito importante na definição do porte do equipamento é quanto ao grau de seletividade na lavra.

Os princípios básicos que caracterizam o transporte numa mina a céu aberto são definidos em função do volume a ser transportado, da distância de transporte, das características dos materiais, da rampa máxima a ser vencida e da produtividade desejada.

O volume a ser transportado é definido em função da produção (por turno, diária, semanal etc.). A distância de transporte normalmente é considerada entre a frente de lavra e o britador primário. As características dos materiais que mais influenciam o transporte são a granulometria, a heterogeneidade e a umidade. A rampa máxima a ser vencida condiciona muito o sistema de transporte. A produtividade interfere não só no método de transporte, como também no tipo de operação: cíclica ou contínua.

1.3. Características dos maciços rochosos para o desmonte

Os materiais que constituem os maciços rochosos possuem determinadas características

físicas em função de sua origem e dos processos geológicos posteriores que atuam sobre eles. O conjunto destes fenômenos produz no maciço uma litologia particular com heterogeneidades devidas à forma dos agregados policristalinos e às descontinuidades da matriz rochosa. Do ponto de vista geomecânico, tais fenômenos conduzem a um estado de tensão característico, com um grande número de descontinuidades estruturais, tais como: planos de estratificação, fraturas, diáclases etc..

As propriedades dos maciços rochosos que mais influenciam no planejamento de desmonte são:

a- As resistências dinâmicas das rochas; b- O espaçamento e orientação das descontinuidades; c- A litologia e potência dos maciços; d- A velocidade de propagação de ondas; e- As propriedades reológicas dos maciços; f- O tipo de superfície e abertura das descontinuidades; g- O grau de anisotropia e heterogeneidade dos maciços etc.. A determinação desses parâmetros por métodos diretos ou de laboratório torna-se muito

difícil e cara, uma vez que as amostras ensaiadas nem sempre contêm as descontinuidades e as mudanças litológicas do maciço rochoso que elas representam. Para obter uma amostra representativa seria necessário que ela tivesse dimensões cerca de dez vezes superiores à distância média entre descontinuidades. Não obstante, constituem um complemento na caracterização dos maciços rochosos que se deseja desmontar.

Atualmente, as técnicas de caracterização geomecânica mais aplicadas são: - sondagem com recuperação de testemunhos e ensaios geomecânicos; - estudos estruturais dos sistemas de descontinuidades; - perfilagem geofísica de furos de sondagem e furos para desmonte; - coleta de dados, durante a perfuração para desmonte e tratamento dos

mesmos. O monitoramento das perfurações para desmonte, bem como a taxa de penetração,

fornecem importantes informações que podem ser utilizadas para a definição das malhas de detonação e das cargas específicas de explosivo. Vários trabalhos têm sido desenvolvidos visando aprimorar o monitoramento automático dos furos de detonação, correlacionando estes dados com as características dos bancos e com os resultados desejados dos desmontes.

1.4. Métodos de desmonte

A fragmentação da rocha é um processo de ruptura conduzido à longa escala para fragmentar os maciços rochosos. Tanto em mineração como na construção civil, a explosão é o método de fragmentação predominantemente empregado, mas outras técnicas têm sido desenvolvidas. Tais técnicas baseiam-se em diferentes tipos de aplicação de energia para fragmentar a rocha.

A tabela 1 mostra uma classificação dos métodos de fragmentação de rocha. Embora todos já tenham sido aplicados em mineração, a energia química (explosão) tem sido mais largamente utilizada, tanto para minas a céu aberto como subterrâneas.

É importante ressaltar aqui que a utilização do método de desmonte mecânico tem sido ampliada com a evolução de equipamentos e técnicas de escavação. Hoje em dia, a escavação mecânica pode ser aplicada inclusive em rochas bastante consolidadas.

O desmonte mecânico que antes apresentava limitação técnica ao desmonte de alguns tipos de rochas, hoje não encontra mais essa limitação, visto que tecnicamente já é possível

desmontar qualquer material mecanicamente. Entretanto, em mineração, para muitas situações de desmonte de rochas, a utilização de explosivos ainda é economicamente mais vantajosa.

Energia Método Agente ou máquina

Química Explosão Alto explosivo

Mecânica Impacto Corte Impacto

Martelo pneumático Trator de lâmina Rompedor hidráulico

Fluido Escavação Corte de rocha

Monitor hidráulico Jato hidráulico

Elétrico Arco elétrico Máquina de eletrofratura

Tab. 1 - Classificação dos métodos de fragmentação da rocha

2. Desmonte mecânico

No desmonte mecânico utiliza-se de equipamentos como tratores e escavadeiras para desagregar o maciço rochoso. A capacidade de escavação é uma função do equipamento utilizado e das características do material escavado. Com a evolução dos equipamentos de escavação, tem sido possível escavar materiais cada vez mais consolidados, viabilizando-se assim o desmonte mecânico de materiais anteriormente desmontados somente com o uso de explosivos.

O desmonte é uma das operações unitárias da lavra e, quando ele é feito por explosivos, o material fragmentado é escavado e carregado no equipamento de transporte. Não havendo a escavação, o consumo de explosivos é maior para descarregar o material, o que causa um espalhamento do material na frente de lavra, dificultando o carregamento. Idealmente, o papel do explosivo deve ser só afrouxar o material, diminuindo sua resistência e tornando possível a escavação mecânica.

Considerando-se os elevados custos do desmonte a explosivo, bem como os aspectos de segurança, tem-se procurado viabilizar cada vez mais o desmonte mecânico de materiais coerentes, através do desenvolvimento de equipamentos e técnicas.

Quando é possível desmontar mecanicamente o maciço rochoso, as operações de desmonte e escavação são feitas de uma só vez, evitando-se as operações de perfuração e desmonte a explosivo.

A escavação mecânica emprega ferramentas cortantes, tais como a faca da lâmina, os dentes da caçamba da escavadeira ou os dentes do escarificador, para romper a compacidade do solo ou do maciço rochoso, desagregando-o e tornando possível o seu manuseio.

2.1. Introdução aos equipamentos de desmonte mecânico

Os equipamentos a serem usados nas operações de lavra são determinados pelo projeto de mineração. Entretanto, isto pode ficar condicionado à existência de fornecedores do equipamento selecionado, desde que as especificações requeridas pelo projeto de mineração sejam satisfeitas. Uma avaliação de todos os equipamentos deve ser feita no que diz respeito a itens tais como: preço, disponibilidade, assistência técnica, idoneidade do representante local etc..

É muito importante procurar informações sobre o comportamento do equipamento em operações similares antes de sua escolha, se possível propor ao fabricante um teste do equipamento na situação real de trabalho. A assistência técnica disponível é também de muita valia no processo de seleção de qualquer equipamento. Isso diz respeito ao pessoal de manutenção necessário, bem como ao custo com oficina e ferramentas. Dependendo do tamanho do projeto, o fornecedor do equipamento, em muitos casos, faz concessões específicas como suporte do produto para um projeto particular.

Em adição, os representantes de equipamentos não são iguais. Alguns representantes oferecem muito pouco suporte enquanto outros fornecem suporte significante tanto na disponibilidade de peças e suprimentos como fornecendo pessoal de manutenção. E caso a mineração esteja situada em local remoto, é fundamental considerar a infra-estrutura integrada com respeito a peças e suprimentos. Uma avaliação deve ser feita dos sistemas de entrega de peças e suprimentos para as operações de mineração, que podem incluir uso do sistema de transporte dos produtos tais como ferrovias, rodovias, hidrovias etc..

Um dos principais itens de suprimento de qualquer operação de mineração é a fonte de combustível e lubrificantes. Cuidado deve ser tomado para avaliar todos os possíveis fornecedores de tais produtos verificando preços, capacidade de fornecimento, e avaliação do produto.

O fornecimento de explosivos é uma outra área para avaliação. Há muitas restrições legais na manufatura e transporte de explosivos em todo o mundo. Em muitos países, o governo realmente controla o movimento de explosivos por meio de legislação específica. Em outros países como nos E.U.A., explosivos são distribuídos por corporações privadas. Deve-se, pois, fazer uma avaliação de potenciais fornecedores, considerando preço de aquisição, modo de entrega e disponibilidade de produtos específicos. É preciso ainda verificar se esses produtos atendem às necessidades das operações de mineração e como eles serão transportados para o local de utilização.

Quanto à seleção dos equipamentos de escavação, há quatro grupos de fatores que a determinam. Esta discussão é válida tanto para mina a céu aberto como subterrânea.

1. Fatores de desempenho – Estão diretamente relacionados com a produtividade do equipamento, incluindo tempo de ciclo, força disponível (potências), capacidade de escavação, capacidade da caçamba, velocidade e confiabilidade.

2. Fatores de projeto – Tais fatores relacionam-se com o conhecimento sobre a qualidade e a eficiência de detalhes do projeto, incluindo a sofisticação da interface homem-máquina, seu nível técnico e tecnológico, assim como com os tipos de controle e potência disponíveis.

3. Fatores de suporte – Algumas vezes uma visão superficial na avaliação do equipamento podem ser refletida nos fatores de suporte, em reparos e manutenção. Facilidades de serviços, habilidade especial envolvida, disponibilidade de peças e suporte de fabricante são pontos importantes a se observar.

4. Fatores de custo – São provavelmente os fatores mais quantitativos e determinantes. Custos são determinados por procedimentos padrão de estimação para mineração grande e equipamentos de construção. Se forem feitas suposições razoáveis de vida, taxas de juros, inflação, combustível e manutenção, então os resultados serão magníficos. O costume é usar custos unitários, todos computados na base $/h e convertidos para $/ton ou $/m³.

Para propósito de estimação envolvendo escavação, dados tais como os listados na tabela 2.1 podem ser usados se as especificações reais não estiverem disponíveis.

Características de operações de grandes escavadeiras para mineração a céu aberto (shovel, dragline, bucket wheel, font-end loader, and hydraulic excavator) são disponíveis em diversas referências (Pfleider, 1973a; Anon., 1976a; Martin et al. 1982).

Tab. 2.1 – Classificação de equipamentos de carregamento e transporte

Para discutir carregamento e transporte é necessário considerar tipos específicos de equipamentos ou grupos de equipamentos com características comuns. Isso requer algum sistema para classificar ou agrupar os vários tipos de equipamentos. Algumas classificações gerais foram propostas em textos de movimentação de materiais.

O sistema de classificação apresentado acima satisfaz os objetivos de dimensionamento de equipamentos. Tais objetivos visam fornecer os princípios básicos de seleção. Isso facilitará o projeto preliminar de sistemas de carregamento e transporte, embora informações mais detalhadas dos equipamentos sejam necessárias para a seleção final. O sistema de classificação usado aqui não se propõe a ser uma classificação compreensível de todos os equipamentos de mineração; ao contrário, é dirigido somente aos equipamentos de carregamento e transporte.

O sistema de classificação usado neste texto é listado na tabela 2.1. As duas principais distinções neste sistema são o tipo de função que a máquina desempenha (isto é, carregamento, transporte, ou uma combinação de ambas) e a forma que o material tem no processo (isto é, ou unidade discreta (fluxo descontínuo de material) ou um fluxo contínuo de material).

A distinção entre unidade de fluxo descontínuo de material e fluxo contínuo de material é um passo importante sob o ponto de vista de cálculo da capacidade de produção. Todo o cálculo de produção para equipamento de carregamento e transporte que trata o material como unidades de fluxo descontínuo pode ser caracterizado por um ciclo. Esses ciclos, por sua vez, são seqüências de operações constituintes que a máquina desempenha no carregamento ou transporte, quando completa todas as etapas do ciclo.

2.2. Descrição e locomoção dos equipamentos

Os tipos de equipamentos de escavação podem ser divididos, segundo o princípio utilizado, em: unidades escavo-empurradoras, unidades escavo-transportadoras e unidades escavo- carregadoras.

Carregamento Transporte Combinado Mecânico Elétrico Trajeto variável Trajeto fixo Móvel Base fixa

Unidades discretas

-Carregadeira -Retroescavadeira -Shovel

-Shovel -Caminhão -Shuttle car

-Trem -Skip -Rastelo -Teleférico

-Scraper -Trator de lâmina

-LHD

-Dragline -Shovel para decapeamento

Unidades de fluxo contínuo

-Escavador com roda de caçamba

-Escavador com esteira de caçamba

-Draga -Minerador contínuo

Sólidos

-Transportador de correia

-Transportador de parafuso

-Transportador de esteira

Fluidos -Mineroduto -Transporte pneumático

a- Unidades escavo O trator de esteira

empurrar o material, é designado unidade escavo ou "bulldozer" figura 2.1.

A lâmina tem sua seção transversal curva para facilitar a operação d inferior recebe a ferramenta de corte, constituída de uma peça cortante denominada faca da lâmina, nela parafusada. Nas extremidades, situam

As faces e cantos são facilmente removíveis para manutenção ou substituição, quando desgastadas pela abrasão ou quando sofrem fratura pelo choque com obstáculos diversos.

Existem dispositivos para tornar a lâmina inclinável e angul implemento muito importante é o escarificador que é montado na tra mais dentes reforçados, providos de pontas cortantes utiliz consolidados.

-empurradoras

ou de pneus, quando adaptado com uma lâmina capaz de escavar e -empurradeira e recebe o nome de trator de lâmina

-se duas peças menores que são os cantos da lâmina.

Fig. 2.1 – Trator de Lâmina

á seira do trator. Consta de um ou

adas para romper materiais

(a)

(b)

Fig. 2.2 - a) Lâmina angulável b) Lâmina inclinável

e desmonte e na parte

vel, figura 2.2. Outro

mais

b- Unidades escavo-transportadoras As unidades escavo-transportadoras escavam, carregam, transportam e descarregam

materiais de consistência média a distâncias médias. São representados por dois tipos básicos: o "scraper" rebocado e o "scraper" automotriz (ou "motoscraper" ).

O scraper rebocado consiste numa caçamba montada sobre dois eixos com pneus, normalmente tracionado por trator de esteira. O scraper automotriz ou motoscraper consta de scraper de um único eixo que se apóia sobre um rebocador de um ou dois eixos, através de uma articulação, figura 2.3.

Fig. 2.3 – Motoscraper

A razão de uma tal montagem reside no ganho de aderência que as rodas motrizes do trator passam a ter em conseqüência do peso que incide sobre elas.

c- Unidades escavo-carregadoras São equipamentos que escavam e carregam o material sobre o equipamento de transporte.

São máquinas bastante antigas, tendo surgido nos Estados Unidos em meados do século passado, ainda então movidas a vapor.

A infra-estrutura básica compõe-se de um Chassi, apoiado sobre as esteiras, que suporta a superestrutura móvel em torno de um eixo vertical, o qual permite o giro da superestrutura em 360°.

A superestrutura compreende a cabine de comando, o elemento motriz (motor diesel) e as transmissões necessárias para acionar os diversos elementos móveis. Este acionamento pode ser feito por cabos aço, cilindros hidráulicos e motores elétricos independentes.

As escavadeiras podem ser empregadas em trabalhos de escavação bastante diversos, dependendo do tipo de lança ou caçamba que é utilizado. Os principais tipos de lança são:

- lança com pá frontal ou "shovel", figura 2.4;

Fig. 2.4 - Escavadeira shovel

- lança com caçamba de arrasto ou “dragline”, figura 2.5;

Fig. 2.5 - Dragline - lança retroescavadeira, "back-shovel" ou "hoe", figura 2.6;

Fig. 2.6 - Retroescavadeira

Desses equipamentos, a shovel é o mais utilizado em mineração a céu aberto. Atualmente já está disponível no mercado a shovel de grande porte (acima de 20 m³), totalmente hidráulica.

2.3. Estimativa de produção dos equipamentos de desmonte

A estimativa de produção é baseada na capacidade do equipamento e nas características de operação. O ciclo de produção deve ser elaborado de modo a conduzir à máxima produção ao mínimo custo.

Um fator importante no planejamento de equipamentos é a disponibilidade das diversas unidades. Por exemplo, quando uma "shovel" está sendo dimensionada, uma disponibilidade de 80% é um fator comum; deste modo, de 100 turnos, 80 seriam produtivos e 20 seriam perdidos para reparos. A disponibilidade é fundamental para o dimensionamento dos equipamentos. Quanto mais novo o equipamento, maior sua disponibilidade. Ao contrário, quanto mais velho o equipamento, menor sua disponibilidade, pois requer mais tempo para reparos.

De um modo geral, há dois métodos para calcular a disponibilidade do equipamento. O primeiro, disponibilidade mecânica, é o fator que mostra a disponibilidade do equipamento com exceção do tempo perdido exclusivamente por razões mecânicas. O segundo método, disponibilidade física, é a disponibilidade operacional total, a qual considera o tempo perdido por qualquer motivo, tabela 2.2.

Disponibilidade mecânica Disponibilidade física

Utilização de disponibilidade Utilização

DEFINIÇÃO Tempo perdido por razões mecânicas Disponibilidade operacional total

Utilização em relação à

disponibilidade operacional

Relação entre o tempo de operação

e o tempo total

EQUAÇÃO: W = horas de operação R = horas de reparo S = horas de Stand-by T = horas totais

(1)

(2)

(3)

(4) = (2) x (3)

EXEMPLO:

W = 300 R = 100 S = 200 T = 600

Tabela 2.2 - Disponibilidade e utilização de equipamento

a- A disponibilidade mecânica é determinada pela seguinte equação:

Disponibilidade mecânica (%) = Horas trabalhadas

X 100 Horas trabalhadas + horas de reparos

Horas trabalhadas, ou horas de operação, são definidas como o tempo que a equipe de

operadores e o equipamento estão em condições de operação. Horas de reparos são definidas como o tempo gasto realmente em reparos.

Impedimentos incluem o tempo perdido em transporte de e para a frente de trabalho, posicionamento, lubrificação e abastecimento, o tempo de espera e o tempo perdido devido a condições de intempéries, condições de segurança etc.. Esses impedimentos muitas vezes são incluídos no tempo de trabalho por questão de simplificação, sendo neste caso considerados parte dos custos de operação e cálculo de produtividade.

b- A disponibilidade física pode ser determinada pela seguinte equação:

Disponibilidade física (%) = Horas trabalhadas + stand-by

X 100 Tempo total

Horas de prontidão para a operação (stand-by) representam o tempo em que o

equipamento está disponível para a operação, mas não está sendo usado quando a mina está em operação. Por exemplo, numa escala de semana de 6 dias, o sétimo dia não é considerado.

Tempo total previsto é o número de horas de operação na mina. Este tempo representa a soma do tempo de horas trabalhadas do equipamento com os reparos, o "stand-by" e os impedimentos.

Disponibilidade física é basicamente um registro histórico de uma máquina, mostrando que uso foi feito dela. Embora um equipamento possa estar mecanicamente pronto para o serviço, existem ocasiões em que, por razões operacionais, ele não pode ser usado de modo apropriado ou econômico. A disponibilidade física é um item muito útil numa avaliação geral da performance mecânica do equipamento e pode também ser usada como um indicador da eficiência de um programa de alocação de equipamentos.

Se a disponibilidade física é consideravelmente maior do que a mecânica, o equipamento não está sendo usado na sua capacidade, de forma que um estudo completo da operação é necessário.

Exemplo: 300 horas trabalhadas 100 horas reparos 200 horas stand-by 600 horas totais

W

W R x

+ 100

W S

T x

+ 100

W

W S x

+ 100

W

T x100

300

300 100 100 75

+ =x %

300 200

600 100 83

+ =x %

300

300 200 100 60

+ =x % 300

600 100 50x = %

Disponibilidade física (%) = 300 + 200

X 100 = 83% 600

Disponibilidade mecânica (%) = 300

X 100 = 75% 300 + 100

Quando a disponibilidade física aproxima-se da mecânica, a eficiência do equipamento

aumenta. Utilização é o tempo que o equipamento está efetivamente em operação. A taxa de

utilização é medida pela relação entre o tempo de operação do equipamento e a disponibilidade. Existem dois índices de utilização: utilização de disponibilidade e utilização efetiva.

a- A utilização de disponibilidade é um registro da eficiência operacional do equipamento

disponível e como tal é uma excelente ferramenta de gerenciamento, podendo ser calculada por:

Utilização de disponibilidade (%) = Horas trabalhadas

X 100 Horas trabalhadas + horas de stand-by

b- A utilização efetiva é muito similar à utilização de disponibilidade e difere somente por

considerar horas totais em vez de horas disponíveis. Para efeitos de planejamento de lavra esta utilização é mais interessante. Ela pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Utilização efetiva (%) = Horas trabalhadas

X 100 Horas totais

A produtividade é uma medida da eficiência do equipamento em relação à sua capacidade

de produção no tempo. A produtividade está ligada não só à utilização, mas também ao modo como o equipamento está sendo utilizado. Deste modo, ela depende basicamente da performance do equipamento, que é determinada pelas características do equipamento e pelo modo como ele é operado.

O programa ideal deveria conter todos os itens do equipamento trabalhando na sua máxima eficiência, todo o tempo. Na prática, por razões óbvias, principalmente pelas condições mecânicas, operacionais e de natureza humana, essa situação ideal não é possível.

Uma outra consideração de suma importância é o dimensionamento correto da frota onde 3 situações devem ser consideradas:

a- uso de frota mínima quando todos os equipamentos são alocados todo o tempo; b- a aquisição de equipamentos para cobrir as condições de pico, alocando todos os itens

todo o tempo e operando deste modo para atender a produção. Passada a situação de pico é alocado o trabalho mínimo até balancear o programa, sendo o ciclo repetido;

c- o terceiro método de dimensionamento de equipamento determina o número de equipamentos para manter a produção desejada, considerando os fatores de disponibilidade necessários e assim alocando adequadamente o equipamento requerido para a tarefa.

Obviamente o terceiro método é o mais adequado, pois considera o dimensionamento racional da frota para as condições de operação e disponibilidade.

Os dois primeiros métodos são também muito utilizados, embora apresentem muitas deficiências. A eficiência desses métodos é questionável e o controle da operação e manutenção torna-se difícil de planejar. A otimização de custos nos dois primeiros métodos também é mais difícil.

Enquanto a disponibilidade e a utilização do equipamento estão relacionadas ao planejamento global, a produtividade do mesmo está intimamente relacionada à performance do equipamento e à eficiência na sua operação. Neste aspecto, o estudo do ciclo é fundamental para a otimização dos tempos e movimentos.

2.3.1. Tempos e movimentos elementares Os equipamentos de mineração executam, em seu trabalho, quatro operações básicas, que

podem ocorrer em seqüência ou, às vezes, com simultaneidade parcial, a saber: - escavação - carregamento - transporte - descarga

As operações básicas desses equipamentos repetem-se através do tempo de forma cíclica, isto é, terminada uma seqüência de operações, inicia-se a seguinte, na mesma ordem anterior.

Analisando-se as operações básicas que constituem o ciclo, verifica-se que este pode ser decomposto numa seqüência de movimentos elementares repetidos através dos ciclos consecutivos. A esses movimentos elementares correspondem tempos elementares que podem ser observados e medidos num grande número de ciclos. Uma análise cuidadosa dos movimentos e tempos elementares em que pode ser decomposto o ciclo de operações pode conduzir à redução ou eliminação dos tempos de parada, desnecessários, também chamados tempos parasitas, que aumentam o tempo de ciclo, reduzindo em conseqüência a produtividade.

Observando-se os tempos elementares num grande número de ciclos, verifica-se que alguns deles se mantêm mais ou menos constantes para um determinado tipo de equipamento, enquanto que outros são muito variáveis, pois dependem diretamente das distâncias percorridas.

Os primeiros são denominados tempos fixos, (tf) enquanto os outros são denominados

tempos variáveis (tv). Entre os tempos fixos temos os tempos de carga, descarga e manobras, por

serem constantes, independentemente das distâncias percorridas num grande número de ciclos repetidos. Os tempos variáveis são tempos de transporte carregado ou de transporte vazio (retorno), que dependem essencialmente das distâncias percorridas.

2.3.2. Ciclo Ciclo é o conjunto de operações que um equipamento executa num certo intervalo de

tempo, voltando, em seguida, à posição inicial para recomeçá-las. Tempo de ciclo é o intervalo de tempo decorrido entre duas passagens consecutivas do equipamento por qualquer ponto do ciclo.

2.3.3. Tempo de ciclo mínimo e efetivo Tempo de ciclo mínimo ou teórico é o somatório de todos os tempos elementares, que

resulte no menor tempo de ciclo para o qual a tarefa pode ser teoricamente executada.

Tempo de ciclo efetivo é aquele gasto realmente pelo equipamento para executar o ciclo de

operação, computados os tempos de parada (tp) que ocorrem necessariamente no decurso de muitos

ciclos.

∑∑∑ ++= pvfc tttt ef ou,

∑+= pcc ttt minef

2.3.4. Produção por equipamento A produção (Q) do equipamento é o volume ou peso escavado, carregado ou transportado

na unidade de tempo, representado pelo produto do volume solto da caçamba (C) pelo número de ciclos f efetuados na unidade de tempo (freqüência).

fCQ ×=

Sendo a freqüência o inverso do período ( tempo de ciclo ), a produção máxima teórica do

equipamento pode ser dada por:

min

1 maxmax

ct CQ ×=

A produção efetiva pode ser calculada por:

t t tc f vmin = + ∑∑

efc ef

t CQ

1 max ×=

2.3.5. Rendimento de operação ou fator de eficiência Chama-se rendimento da operação ou fator de eficiência (R) à relação:

maxQ

Q R ef=

Considerando-se as fórmulas anteriores, tem-se:

ef

ef

c

c

c

c

t

t

t C

t C

R min

min

1

1

max

max

==

Portanto, o rendimento da operação é dado pela relação, sempre inferior à unidade, entre o

tempo de ciclo mínimo e o tempo de ciclo efetivo.

∑+ ==

pc

c

c

c

tt

t

t

t R

ef min

minmin

ou,

min

1

1

c

p

t

t R

∑ +

=

Deste modo, o rendimento depende dos valores assumidos pelos tempos de parada Σtp.

Se Σtp = 0, R = 1 ou 100% e o tempo de ciclo seria mínimo ( ).

Se Σtp ≠ 0, R < 1 ou 100% e o tempo de ciclo seria o efetivo ( ).

Portanto, o rendimento da operação é afetado diretamente pelos tempos de parada, concluindo-se que o aumento de produção será conseguido pela diminuição destes.

2.4. Seleção de equipamentos de escavação Quatro grupos de fatores determinam a seleção dos equipamentos de escavação: a- Fatores de performance - relacionam diretamente a produtividade do equipamento com a

velocidade do ciclo, potência, capacidade da caçamba, capacidade de escavação, velocidade de transporte e segurança ;

b- Fatores de projeto - fornecem conhecimento para a qualidade e eficiência do projeto de detalhe, incluindo a sofisticação da interface homem-máquina para os operadores e pessoal de manutenção, o nível de tecnologia empregada e o tipo de controle e potência disponível;

c- Fatores de suporte - algumas vezes, quando examinados na avaliação do equipamento, os fatores de suporte são refletidos nos serviços de assistência e manutenção. Desses fatores, os mais importantes são as facilidades de assistência, habilidade especial envolvida, disponibilidade de peças de reposição e assistência do fabricante;

d- Fatores de custo - provavelmente estes são os fatores mais quantitativos e são determinados por procedimentos padrão para longo prazo. Nesses fatores são considerados a vida da mina, as taxas de juros, inflação, custos de combustível e custos de manutenção. Utiliza-se a base de custo unitário, estimando os custos totais como a soma de custos de aquisição e de operação, todos os componentes na base $/ton ou $/m³.

A nomenclatura e os procedimentos utilizados para fazer o orçamento da mineração são pré-requisitos para a correta compreensão dos aspectos envolvidos na estimação e controle de custos. A categoria de custos mais comum é a classificação largamente utilizada que divide os custos em diretos e indiretos e outros custos de produção. Esses custos, normalmente são detalhados numa planilha de custos, de modo que cada item possa ser controlado separadamente.

Os custos diretos incluem os custos de mão-de-obra, dos equipamentos, dos materiais etc.. Os custos indiretos são aqueles que incidem sobre os custos de lavra, mas que não estão

tcmin tcef

diretamente relacionados com a produção. Não podem, por exemplo, ser determinados por tonelada de minério. São constituídos, basicamente, pelos custos ligados à administração geral.

Os outros custos de produção estão associados à depreciação, amortização, exaustão da jazida etc.

Uma classificação bastante utilizada divide os custos em: a- Custos diretos de propriedade - Nestes custos estão envolvidos os custos de aquisição,

seguro, impostos, depreciação e demais custos relacionados com a propriedade do equipamento. b- Custos diretos de operação - São aqueles custos relativos a reparos, manutenção,

suprimentos, combustível, mão de obra etc.. c- Outros custos de mineração - Custos relativos a prospecção, exploração e

desenvolvimento (antes da lavra). d- Custos indiretos - Nesse custos estão incluídos a administração, o pessoal de projeto e

planejamento, informática, consultoria etc.. e- Outros custos de produção - Recuperação (pós-mineração), beneficiamento mineral,

transporte, impostos, previdência, royalties, taxas etc.. Para se ter uma idéia da importância da justificável preocupação com os custos, basta

considerar que a última decisão em qualquer projeto é econômica. Assumindo que as considerações técnicas e de segurança foram satisfeitas, o passo decisivo é a abordagem econômica das várias alternativas, todas elas justificadas através de análise de custos.

2.5. Operação e manutenção dos equipamentos A alocação de equipamentos é feita no planejamento e projeto de lavra e deve ser

abordada sob a ótica de todas as operações unitárias. A escala de produção desejada é um dos principais itens a ser considerado na alocação dos equipamentos.

As frentes de lavra são determinadas pelo planejamento de lavra de modo a atender, não só ao ritmo de produção desejado, mas também para permitir a extração de minério e estéril dentro da relação estabelecida pelo planejamento. Durante as operações de lavra, a alocação dos equipamentos nas frentes de lavra, determinada pelo planejamento, deve ser feita de modo a minimizar os custos associados aos ciclos dos equipamentos. Vários estudos têm sido feitos no sentido de otimizar o desmonte, carregamento e transporte dos materiais, de modo a tornar as operações de lavra tão sincronizadas quanto possível e reduzir os tempos de ciclo, sem afetar a performance do equipamento e dos operadores.

2.5.1. Operação Todo equipamento vem acompanhado de um Manual de Operação que mostra o seu

funcionamento e o dos acessórios, bem como todos os cuidados que devem ser tomados durante a sua utilização:

- Em primeiro lugar é preciso notar que os equipamentos mecânicos, ainda que projetados e dimensionados corretamente para os trabalhos a que se destinam, não podem ser sujeitos a esforços superiores aos limites de resistência dos materiais usados em sua construção.

- Em segundo lugar, é preciso submeter o operador a um período de treinamento, a fim de que ele possa operá-lo nos níveis de produção previstos pelo fabricante, sem que haja, contudo, um desgaste excessivo. O operador deverá conhecer seus movimentos e manobras, bem como os mostradores do painel de controles.

- O operador deve ser conscientizado de que é o primeiro elemento com responsabilidade na manutenção mecânica do equipamento, percebendo em primeiro lugar as anomalias surgidas no seu funcionamento, tais como ruídos estranhos, vibrações, vazamentos etc. e comunicando-os aos responsáveis pela manutenção.

- Os manuais de operação sempre prescrevem que o equipamento deve ser aquecido antes de iniciar o seu trabalho normal para que o óleo do cárter circule em todas as peças do circuito de lubrificação, evitando o desgaste anormal pelo atrito gerado entre peças móveis sem lubrificação.

Além disso, todos os componentes que trabalham em temperaturas elevadas devem atingir a temperatura e as folgas normais, para serem submetidos aos esforços normais com o equipamento em operação.

Analogamente, depois do uso intenso, o motor e os demais sistemas se encontram em temperaturas altas comparadas com a do ambiente. Será necessário deixar o motor funcionar sem carga, em baixa rotação, para que o resfriamento se processe lentamente, impedindo a ocorrência de trincas de contração, como, por exemplo, nas placas dos cabeçotes dos cilindros.

Também é extremamente prejudicial a colocação de água fria no sistema de refrigeração, pois esta, entrando em contato com a tampa do cabeçote aquecido, através dos canais de circulação, fatalmente ocasionará o aparecimento de trincas que permitem a perda de compressão e a penetração da água na câmara de combustão.

- O operador deve se acostumar à rotina de verificar o abastecimento do equipamento, não só do combustível, mas também o nível dos depósitos dos diversos lubrificantes e do fluido dos sistemas hidráulicos. Não é incomum o equipamento parar por falta de combustível, sendo necessário paralisá-la para escorvar o sistema de alimentação, bem como a bomba injetora e, até os injetores, com perda de tempo absolutamente indesejável.

Por outro lado, jamais se deve por a máquina em movimento com o nível dos lubrificantes abaixo das marcas normais. Os equipamentos podem trabalhar em posições bastante inclinadas, de modo que a tomada da bomba de óleo pode ficar parcialmente descoberta, prejudicando a vazão normal do óleo e a lubrificação de peças vitais.

Mesmo a água a ser adicionada ao sistema de refrigeração deve estar limpa e livre de corpos estranhos, que acabam por obstruir algum ponto das tubulações levando ao superaquecimento do motor.

- Deve-se paralisar a máquina sempre que os mostradores do painel indicarem pressões muito baixas ou elevadas, fugindo da faixa normal, especialmente as dos lubrificantes do motor, fluido do sistema hidráulico ou do conversor de torque.

- Finalmente, recomenda-se manter o equipamento limpo, pois o óleo e a poeira aderidos formam uma crosta que impede a constatação de vazamentos, trincas, falta de parafusos etc..

Vê-se, pois, que com medidas simples de rotina pode-se evitar uma série de problemas com sérias conseqüências, razão pela qual há um ditado conhecido entre os que se utilizam de equipamentos mecânicos e que afirma, com muita verdade: "a boa manutenção começa com a boa operação da máquina".

2.5.2. Manutenção dos equipamentos

Considerando-se os grandes investimentos necessários para adquirir os equipamentos de

mineração, é notório o alcance econômico do aumento da vida útil de tais equipamentos, isto é, do período em que o equipamento produz economicamente, no qual a remuneração dos serviços por ele prestados supera os seus custos.

Por outro lado, é fácil entender que à medida que o equipamento envelhece a probabilidade de falha mecânica aumenta consideravelmente devido ao desgaste natural que sofre em sua utilização. Isto tem como conseqüência a sua paralisação freqüente para os reparos mecânicos, significando duplo prejuízo, porque, além de deixar de produzir, ele passa a ter despesas de manutenção e, com isso, reduz de forma sensível a sua rentabilidade.

Assim, a maneira mais simples de se conseguir o aumento da vida útil do equipamento consiste na operação e na manutenção corretas do equipamento. Isto significa a adoção de uma série de medidas de ordem prática muito simples, mas que, infelizmente, nem sempre são observadas, resultando em prejuízos indesejáveis.

Pode-se definir a manutenção como sendo o conjunto de processos utilizados com a finalidade de obter dos equipamentos condições de funcionamento que resultam na sua produtividade máxima e, ao mesmo tempo, buscar o prolongamento de sua vida útil, permitindo a operação econômica em maiores prazos.

Atualmente, a manutenção mecânica não pode estar dissociada da lubrificação e operação racionais do equipamento, pois, em verdade, esses três campos acham-se intimamente ligados, de sorte que se um deles revelar-se ineficiente, poderá influir de forma negativa no resultado global desejado, que é, em última análise, o aumento da sua vida útil.

As falhas mecânicas provêm das peças dos seus diversos sistemas, quando alguma parte vital é afetada ou danificada. Várias são as causas dessas anomalias. Projetos ou especificações inadequados, falhas de fabricação, falta de manutenção, operação inadequada e o inevitável desgaste natural das peças em decorrência do uso.

Entende-se por manutenção corretiva aquela que se preocupa apenas em corrigir as falhas já detectadas e que prejudicam o funcionamento normal do equipamento. Essa forma de encarar a manutenção pode levar a situações difíceis, porque a quebra das peças ou as falhas de um sistema podem ocorrer de forma aleatória, exatamente no momento em que o equipamento se faz mais necessário.

É preciso lembrar que a ruptura de um componente pode afetar outras peças que trabalham em conjunto. Seria o caso de uma engrenagem da caixa de câmbio que, sofrendo a ruptura de um dente, poderia deixar pedaços soltos caírem exatamente entre outras engrenagens que se apresentassem sem defeito, ampliando os efeitos do dano.

A não substituição de um equipamento básico quebrado pode vir a interromper o ciclo de produção, deixando ociosos vários outros equipamentos e aumentando os prejuízos decorrentes. Seria o caso da paralisação de uma escavadeira que trabalha com unidades de transporte, ou de um trator pusher que carrega vários motoscrapers.

Em conseqüência dessas possibilidades extremamente desfavoráveis à produtividade e rentabilidade da obra, introduziu-se o conceito da manutenção preventiva que visa principalmente a evitar ou prevenir o aparecimento de falhas mecânicas durante a operação, detectando os defeitos antes de sua manifestação e, sobretudo, evitando a ruptura de componentes fundamentais com a substituição sumária de peças que, já tendo atingido certo número de horas de trabalho ou certo desgaste máximo admissível, representam risco de quebra à curto prazo.

É evidente que a introdução da manutenção preventiva apresenta vantagens óbvias, mas por outro lado, significa um programa de implantação difícil e por vezes de custo elevado, o que torna a sua aplicação anti-econômica para as empresas de pequeno porte. Além disso, o programa de manutenção preventiva envolve alguns problemas difíceis, tais como a determinação dos itens considerados críticos que, se forem danificados em serviço, podem significar a paralisação do equipamento.

3. Desmonte a explosivo

De um modo geral, os maciços pouco alterados e pouco fraturados, ou constituídos por

rochas de elevada dureza, deverão ser desmontados por detonação, método econômico e rápido, visto que produz elevadas quantidades de energia libertada em frações de segundo.

O desmonte de rochas a explosivo é uma operação bem complexa e consiste em uma das principais responsáveis pelos custos de lavra. Como resultado da detonação busca-se um material com as características de granulometria e homogeneidade exigidas pelo processo produtivo. E além dessas duas características principais a detonação deverá ainda produzir o mínimo de riscos e incômodos possíveis. Além disso, nas minas próximas a áreas povoadas, deverão ser tomados maiores cuidados quanto a níveis de ruídos, de emissão de gases e de vibração do terreno. E atenção especial deverá ser dada, durante qualquer detonação, ao ultra-lançamento de fragmentos e estabilidade dos taludes.

Deve-se salientar a enorme importância do desmonte a explosivo para obras civis, como aberturas de estradas, túneis, construções de edifícios, pontes, alargamento de rios etc. Como não existe outro método com tamanha eficiência, a construção civil utiliza a detonação para o desmonte de maciços rochosos tal qual nas minas, porém com períodos e objetivos diferentes.

É notório que se deve ter um planejamento eficiente do desmonte a explosivo. O ideal é que após os desmontes todo o material se encontre com o volume desejado, na granulometria apropriada, facilitando assim as operações subseqüentes e diminuindo os custos. Por tudo isso é que se faz necessário à otimização do desmonte nas minas.

A aplicação de explosivos para a fragmentação de rochas na mineração ou para outros propósitos tem conduzido ao desenvolvimento de pesquisas tanto relativas às propriedades dos explosivos quanto aos mecanismos envolvidos na fragmentação dos materiais em função de sua utilização. Essas pesquisas visam, sobretudo, minimizar os custos de desmonte e os problemas ambientais gerados principalmente por ruído, gases e vibrações.

Com relação aos custos, tem sido utilizada a abordagem sistêmica que considera o custo global da seqüência de operações e não apenas o custo de uma operação ou insumo isoladamente. Por exemplo, o custo individual do explosivo num desmonte pode até ser comparativamente maior desde que proporcione uma pilha cujo custo de carregamento seja menor, implicando num custo global menor.

3.1. Perfuração para o desmonte

Dentro do campo do desmonte a explosivo, a perfuração da rocha é a primeira operação a ser realizada. Ela tem como finalidade abrir furos com distribuição e geometria adequadas dentro dos maciços rochosos para alojar as cargas de explosivo e seus acessórios iniciadores.

Geralmente, dois diferentes tipos de operações para quebrar a rocha são usados em mineração. Na penetração da rocha (por impacto, por corte, por atrito ou por esmagamento), um furo é feito, na maioria das vezes por processo mecânico e algumas vezes por processo hidráulico ou térmico. Por outro lado, o desmonte da rocha tem como objetivo quebrar e fragmentar grandes massas de material, convencionalmente por energia química, também sendo utilizados em menor escala energia mecânica, energia hidráulica e outras novas formas de aplicação de energia.

Embora operando em diferentes escalas as funções de penetração e fragmentação utilizam uma variedade de mecanismos básicos similares na aplicação da energia para quebrar a rocha. O que também é digno de observação na forma de concentrar e aplicar a energia para superar a resistência da rocha é que a razão de aplicação é tão crítica na produção de ruptura como a forma e a quantidade de energia. Deste modo, pode-se notar que todos os processos bem sucedidos de quebra de rocha são dependentes do tempo e que, em geral, quanto mais rápida a aplicação, mais efetiva ela é. Em termos geomecânicos, emprega-se carga dinâmica para efetuar a penetração ou a fragmentação, embora deva ser considerado que a perfuração, em ordem de grandeza, é bastante inferior ao desmonte por explosivos como um processo dinâmico de quebra do maciço rochoso.

3.1.1. Princípios de penetração na rocha Os sistemas de penetração da rocha que têm sido desenvolvidos e classificados por ordem

de aplicação são: a- Mecânicos Percussão Rotação PercussãoRotação

b- Térmicos c- Hidráulicos Jorro d'água d- Sônicos e- Químicos f- Elétricos g- Sísmicos h- Nucleares Apesar da enorme variedade de sistemas po

e obras civis, a perfuração é realizada energia mecânica.

Os sistemas mecânicos de penetração utilizam energia para fragmentar a rocha: a)impacto; b)atrito; c)esmagamento.

Existem duas formas de ataque métodos de perfuração utilizam esses princípios ou combinaç governa o mecanismo de penetração.

O que causa a fragmentação da rocha, na perfuração, é a aplicaçã exceder a resistência da rocha ferramenta de perfuração deve ser dirigido para produzir a penetração na forma de um furo de forma e tamanho desejado.

As diferentes maneiras como as perfurações à percussão, à rotação ou percurssivo atacam a rocha são mostradas na figura lascamento. O que difere é a importância relativa de cada fase no avanço da cor trituração predomina na percussão, o lascamento na perfuração rotativa e uma ação híbrida na perfuração percussivo-rotativa.

Fig. 3.1 (esq.) percussão, (cen.) corte, (dir.) com

Um certo número de fatores influencia a penetração na rocha ou a remoção dos fragmentos

durante a perfuração, os quais determinam a performance da perfuração. Há quatro grupos de fatores:

a- variáveis de operação perfuração (perfuratriz, haste, coroa e fluído). Elas são amplamente controláveis e incluem duas categorias de fatores: I) potência da perfuratriz, energia e freq impulso e desenho da haste; II) propriedades do fluído e razão do fluxo;

b- fatores de perfuração furo. Eles são controlados por exigência externa, constituindo as variáveis independente

c- fatores da rocha em propriedades da rocha, Freqüentemente referidos como fatores de perfurabilidade perfuração da rocha e limitam a performance da perfuratriz;

d- fatores de serviço de trabalho, condições climáticas

Sopro ou lança térmica Plasma Fluído quente Congelação

Erosão Cavitação Vibração de alta frequência Microdesmonte Dissolução Arco elétrico Indução magnética Raio laser Fusão Fissão

ssíveis de penetração da rocha presentemente de uma forma quase geral, utilizando

fundamentalmente três tipos de aplicação de

mecânico da rocha: percussão e rotação. Quatro classes de ão deles. É a interação coroa

o de

, a chamada resistência à perfuração. O campo de tensão criado pela

3.1. Em cada caso, ocorrem fases alternadas de trituração e

- Tipos de ações de perfuração no ataque mecânico da rocha binação corte + percussão

- Tais variáveis afetam as quatro componentes do sistema de

üência do golpe, velocidade de rotaçã

- Tais fatores incluem o diâmetro, o comprimento e a inclinação do

- São derivados do ambiente, sendo também independentes. Consistem as condições geológicas e o estado de tensão atuando no furo.

, eles determinam a resistência à

- Consistem no trabalho e supervisão, potência do equipamento, local etc.. Tais fatores são também variáveis independentes.

em mineração -se a

-rocha que

força suficiente para

-rotativa

oa. Por exemplo, a

o,

s;

3.1.2. Métodos de perfuração

Neste item somente serão abordados os métodos de perfuração mecânica. Os dois grandes métodos mecânicos de perfuração de rocha são os percussivo-rotativos e

os rotativos. Os métodos percussivos (puros), ainda muito utilizados, são restritos a furos de pequenos diâmetros com perfuratrizes manuais de baixa produção e produtividade.

Os métodos percussivo-rotativos são usados em quase todo tipo de rocha, tanto com o martelo fora do furo como dentro do furo (down the hole).

Os métodos rotativos se subdividem em dois grupos segundo o mecanismo como a penetração se realiza: por trituração (esmagamento), empregando tri-cone-bits, ou por corte utilizando coroas especiais. O primeiro sistema se aplica em rocha de dureza média a alta e o segundo em rochas brandas.

Com base na resistência à compressão da rocha e no diâmetro de perfuração é possível delimitar os campos de aplicação dos diferentes métodos, como pode ser visto na figura 3.2.

Fig. 3.2 - Campos de aplicação dos métodos de perfuração em

função da resistência da rocha e diâmetro dos furos Por outro lado, segundo o tipo de trabalho que se realiza em mineração ou obra civil, os

equipamentos de perfuração mais utilizados e os diâmetros mais comuns para desmonte em bancadas são mostrados na figura 3.3.

Outros critérios que influenciam a seleção de equipamentos de perfuração são: econômico, manutenção, capacidade operacional e adaptabilidade às condições de trabalho e ao sistema (tipo de rocha, fonte de energia etc.).

A perfuração percussivo-rotativa baseia-se na combinação das seguintes ações: a- percussão - os impactos pelo golpe do pistão originam ondas de choque que são

transmitidas à coroa através das hastes (martelo fora do furo) ou diretamente sobre ela (martelo de fundo);

b- rotação - este movimento é responsável pelo giro da coroa para que os impactos da coroa sobre a rocha ocorram em distintas posições;

c- empuxo - carga aplicada sobre a coroa para que ela esteja em contato com a rocha; d- fluido de circulação - possibilita a extração dos detritos do fundo do furo. O processo de formação das indentações, com as quais se consegue o avanço neste

sistema de perfuração, divide-se em 5 instantes, tal como é mostrado na figura 3.4. a- Compressão das rugosidades da rocha pelo contato com a coroa. b- Aparecimento de gretas radiais a partir dos pontos de concentração de tensões e

formação de uma cunha em forma de “V”.

c- Pulverização da rocha da cunha por esmagamento. d- Quebra dos fragmentos maiores nas zonas adjacentes à cunha. e- Evacuação dos detritos pelo fluido de circulação. Esta seqüência repete-se com a mesma cadência de impactos do pistão sobre o sistema de

transmissão de energia até a coroa.

Fig. 3.3 - Métodos de perfuração em trabalhos a céu aberto

Fig. 3.4 - Fases de formação de uma indentação Ainda que o aparecimento das coroas tri-cone-bits como ferramenta de perfuração remonte

ao ano de 1910, pode-se dizer que até o desenvolvimento dos equipamentos rotativos na década de 60 não houve um aperfeiçoamento deste tipo de coroa. Inicialmente, as coroas tri-cone-bits só eram aplicáveis a formações rochosas brandas ou de pouca resistência. Mas na atualidade essas coroas competem com os outros métodos empregados em rochas duras.

O trabalho de uma coroa tri-cone-bits baseia-se na combinação de duas ações: a - indentação - os dentes ou insertos do tri-cone penetram na rocha devido ao empuxo

sobre a rocha. Este mecanismo é responsável pela trituração da rocha;

b - esmagamento - os fragmentos de rocha se formam devido ao movimento lateral dos cones provocando o esmagamento do material ao girarem sobre o fundo do furo.

A ação de cisalhamento só ocorre em rochas brandas, uma vez que o movimento lateral dos cones é uma combinação complexa de trituração e cisalhamento, no caso de rochas brandas o cisalhamento predomina tendo em vista a baixa resistência ao cisalhamento das mesmas.

As coroas tri-cone-bits são formadas por 3 cones com dentes ou insertos cujos elementos são mostrados na figura 3.5.

Fig. 3.5 - Coroa tri-cone-bits

Os dois métodos descritos acima são responsáveis pela quase totalidade dos desmontes de

rocha realizados tanto em mineração como em obra civil.

3.2. Explosivos

O explosivo é um agente, composto, ou uma mistura que apresenta decomposição muito rápida quando é iniciado por calor, impacto, fricção ou choque. A decomposição é causada por uma reação exotérmica, que é desenvolvida a alta velocidade, acompanhada pela liberação de vasta quantidade de energia e gases a alta temperatura e elevadíssima pressão. Se a velocidade da reação é supersônica, o processo é denominado detonação e o agente é um alto explosivo. Se a velocidade da reação é sub-sônica é denominada deflagração e o agente é chamado de baixo explosivo.

Detonação segundo Hartman (1987), é uma explosão acompanhada pela formação de uma onda de choque. Os produtos finais de uma detonação são gases que estão comprimidos a pressão e a temperatura muito elevadas. A velocidade de detonação varia de 1.500 a 9.000 m/s, bem acima da velocidade do som no material explosivo, figura 3.6.

Deflagração é uma queima muito rápida, mas que não consiste em detonação. É a queima química dos componentes explosivos em uma taxa bem abaixo da velocidade sônica. Ela está associada apenas ao calor, não havendo onda de choque. A deflagração pode ocorrer em explosivos onde deveria haver detonação, o que acontece quando não existem as condições ideais para a utilização do referido explosivo ou quando a formulação dos explosivos é ruim.

Fig. 3.6 – Desenvolvimento de uma detonação. Todos os explosivos comerciais são uma mistura de carbono, hidrogênio, oxigênio e

nitrogênio. A máxima energia liberada em uma detonação ocorre quando a mistura explosiva é formulada por oxigênio balanceado. Uma mistura balanceada de oxigênio é aquela em que não existe excesso ou deficiência deste elemento, os produtos gasosos são essencialmente H2O (vapor), CO2 e N2. Quando há formação de gases nocivos como NO, CO, NH4, CH4 e carbono, a detonação é considerada não ideal e, conseqüentemente, a pressão e a energia desenvolvidas são menores do que as ideais. A tentativa das formulações de explosivos comerciais é a de atingir uma mistura balanceada de oxigênio.

O trabalho feito pelo explosivo na fragmentação e deslocamento de rochas depende da energia da onda de choque, assim como da energia de expansão dos gases de detonação. A figura 3.7, a seguir, mostra uma onda de detonação idealizada percorrendo um explosivo com formato cilíndrico, produzindo um aumento de pressão. O “steady state” da reação química tem lugar atrás da frente de choque com a zona de reação. No final desta zona, existe uma região de estado não estável. A região entre o “steady state” e o “non steady state” é chamada de plano Chapman- Jouguet, plano C-J, figura 3.8. Até este plano a reação química é completa, assumindo uma detonação ideal.

Fig. 3.7 - Onda de detonação idealizada percorrendo uma coluna de explosivo

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