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Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro PretMINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO o Programa de Pós^ Departamento de Engenharia de Minas-Graduação em Engenharia Mineral – PPGEM
CONTROLE DE VIBRAÇÕES E PRESSÃO ACÚSTICA NO DESMONTE DE
ROCHAS COM EXPLOSIVOS: ESTUDO DE CASO EM UMA MINA DO
QUADRILÁTERO FERRÍFERO
Autor: LEANDRO GERALDO CANAAN SILVEIRA Orientador: Prof. Dr. HERNANI MOTA DE LIMA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação do Departamento de Engenharia de Minas da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mineral.
Área de concentração: Lavra de Minas
Ouro Preto/MG Março de 2017
Catalogação: www.sisbin.ufop.br
S587c Silveira, Leandro Geraldo Canaan.Controle de vibrações e pressão acústica no desmonte de rochas com explosivos: estudo de caso em uma mina do Quadrilátero Ferrífero.[manuscrito] / Leandro Geraldo Canaan Silveira. - 2017. 137f.: il.: color; grafs; tabs; mapas. Orientador: Prof. Dr. Hernani Mota de Lima. Minas. Departamento de Engenharia de Minas. Programa de Pós-Graduação emDissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Engenharia Mineral.Área de Concentração: Engenharia Mineral.
acustica. 4. Dano estrutural. 5. Incômodo humano. I. Lima, Hernani Mota de. II.1. Desmonte de rochas com explosivos. 2. Vibração ressonante. 3. Emissão Universidade Federal de Ouro Preto. III. Titulo. CDU: 622.
DEDICATÓRIA
Dedico esta dissertação a Deus por me fortalecer e fazer-me seguir em frente nos momentos mais difíceis.
AGRADECIMENTOS
A Deus, antes tudo, por me fazer perseverar nos momentos mais difíceis e seguir adiante. “Quando Ele quer, não tem quem não queira”.
Agradeço a minha família, Alfredo, Vera e Cássia pelo amor, dedicação e por fazer sacrifícios em prol da minha felicidade em toda minha vida. Esta vitória é toda de vocês.
À Tamíris, pelo amor e pelo companheirismo de sempre nas horas mais difíceis. Você me resgatou diversas vezes da tristeza e me fez seguir em frente quando eu mesmo não acreditava em mim. Serei eternamente grato a isso. Sinceros agradecimentos à Dona Helena, Sr. Jayr e Veridiana por terem tornado minha segunda família nessa trajetória. Vocês não sabem o bem que fizeram e o quanto a acolhida de vocês foi importante para mim.
Gratidão ao professor orientador e amigo Dr. Hernani Mota de Lima, por sempre me ajudar quando mais precisava, por compartilhar seus conhecimentos e me orientar nesta trajetória.
Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral (PPGEM) pelas oportunidades, pelo preparo profissional e por contribuir para que eu me tornasse mestre em Engenharia de Minas.
Ao Instituto Tecnológico Vale (ITV) por fornecer-me ferramentas para o meu desenvolvimento profissional, bem como desse projeto. Ao Paulo e Gustavo por toda a luta nessa trajetória. Agradeço à toda equipe da Lavra de minas, Dr. Vidal Félix Navarro Torres, Germán, Taís, Luciano, Luciana e Gian. À Rúbia pela amizade e colaboração insuperáveis. Agradeço também ao Vlademir Bastos e ao Prof. Msc. Michiel Schrage pelos bons momentos de trabalho.
Agradeço à toda equipe da VALE S.A do Complexo Mariana, em especial a equipe da Gerência de Infraestrutura: Péricles, Luiz Cerceau, Nilton Auxiliador, Juliano e a todos que contribuíram de alguma forma. Agradeço também ao Marcão, Amilton, Roberto Valentim, Zé Mauro e Hercy pela ajuda de sempre desde a época de estágio.
A todos amigos do mestrado em especial ao Guilherme Alzamora, Ronald, Gustavo Melo, Alan Mayra e Eduardo Marcelino por terem me ajudado nos momentos mais críticos dessa jornada de mestrando.
ABSTRACT
Blasting activities is frequently essential for mining production. Nevertheless, nowadays due to the proximity between mines and communities, this activity has been leading to complaints and conflicts between the stakeholders, especially because of blasting-induced vibrations and airblast overpressure, likely to cause structural damage and human discomfort. In this study a methodology for blasting-induced vibration and airblast overpressure control, which affect a community near to a Quadrilátero Ferrífero mine, was developed. First, it was carried out seismographic monitoring in order to record particle vibration velocity, their associated frequencies and airblast. Later on, in possession of such records, distance from the monitoring point to the vibration source, the maximum explosive charge per delay, the specific parameters of the ground was estimated by multiple linear regression, and thus the obtaining of the blasting- vibration and airblast attenuation laws was possible. After that, it was possible to predict the particle velocity vibration and airblast levels at several points in the community as well as to generate contour maps for a better visualization of the wave propagation phenomenon. Furthermore, it was predicted the maximum explosive charge per delay regarding the admissible levels of groundvibration and airblast defined in the study and it was designed a blast layout as well as it was determined the attenuation coefficient of ground vibrations in relation to structures. The results of this study have allowed to conclude that this methodology is effective and applicable to any iron ore open pit mine near to populated areas.
Keywords: rock blasting, blast-induced vibration, airblast overpressure, structural damage, human discomfort.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Proximidade entre a mina em estudo e a comunidade .............................................. 18
Figura 2. Determinação empírica entre o tipo de explosivo a ser utilizado em função da força de compressão uniaxial da rocha e o espaçamento entre falhas ............................................... 21
Figura 3. Zonas distintas definidas na rocha ao redor de uma carga explosiva, após a detonação: (a) carregamento dinâmico, (b) produção de gases, (c)liberação do carreagamento, (d) expansão do furo ...................................................................................................................................... 22
Figura 4. Atenuação das vibrações com a distância ................................................................. 23
Figura 5. Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas equidistantes de uma detonação ............................................................................... 23
Figura 6. Efeito vibratório no corpo humano segundo diferentes eixos e posições: (a) em pé, (b) sentado e (c) deitado ................................................................................................................. 24
Figura 7. Resposta humana as vibrações. ................................................................................. 25
Figura 8. Pressão acústica e frequências associadas de atividades humanas ........................... 27
Figura 9. Exemplos de carregamentos dinâmicos e suas formas de ondas. ............................. 28
Figura 10. Tipos de ondas sísmicas .......................................................................................... 29
Figura 11. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação ................................................................................................................ 31
Figura 12. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação de distância escalonada ......................................................................... 32
Figura 13. Mapa de isovelocidades de vibração da Geosonics Inc.. ........................................ 34
Figura 14. Mapa de isovelocidades de vibração construído por Iramina. ................................ 34
Figura 15. Mapa de isovelocidades de vibração gerado por Canedo ....................................... 35
Figura 34. Gráfico da velocidade de vibração das partículas, carga máxima por espera e distância obtido pelo LabFit® para vibrações. ......................................................................... 62
Figura 35. Mapa de isovelocidades segundo a lei de propagação das vibrações para o conjunto de todas detonações na mina. ................................................................................................... 64
Figura 36. Gráfico da pressão acústica, carga máxima por espera e distância, obtido pelo LabFit® para a campanha de monitoramento na mina em estudo ........................................... 66
Figura 37. Mapa de isovalores de pressão acústica segundo a lei de propagação para o conjunto de todas detonações na mina em estudo. .................................................................................. 67
Figura 38. Comparação entre as cargas máximas por espera em kg - vibrações em estruturas segundo às normas NP 2074, NBR 9635 e USBM 8057. ........................................................ 72
Figura 39. Comparação entre as cargas máximas por espera em kWh – vibrações em estruturas segundo às normas NP 2074, NBR 9635 e USBM 8057. ........................................................ 73
Figura 40. Carga máxima por espera, em Kg, versus distância - Pressão acústica em estruturas segundo as normas NBR 9653 e USBM 8507. ........................................................................ 74
Figura 41. Carga máxima por espera, em Kwh, versus distância - Pressão acústica em estruturas segundo as normas NBR 9653 e USBM 8507 ......................................................................... 74
Figura 42. Carga máxima por espera, em kg, versus distância – Vibração relacionado a incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU). .................................................................................................................................................. 76
Figura 43. Carga máxima por espera, em kWh, versus distância – Vibração relacionado a incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU). .................................................................................................................................................. 76
Figura 44. Carga máxima por espera, em Kg, versus distância – Pressão acústica relacionado a incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU). .................................................................................................................................................. 77
Figura 45. Carga máxima por espera, em kWh, versus distância – Pressão acústica e incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU). ........... 77
Figura 46. Exemplo de croqui de plano de fogo recomendado para controle de vibrações e pressão acústica. ....................................................................................................................... 80
Figura 47. PVS calculado versus PVS medido. ....................................................................... 82
Tabela 17. Dados e resultados dos testes realizados para estrutura metálica. .......................... 69
Tabela 18. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a casa antiga. ....................................................................................................................................... 70
Tabela 19. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a estrutura de concreto. ................................................................................................................ 70
Tabela 20. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a estrutura metálica. ..................................................................................................................... 71
Tabela 21. Resumo das cargas máximas por espera dimensionando segundo distintas normas e padrões de admissibilidade. ...................................................................................................... 78
Tabela 22. Constantes de Ash utilizados no dimensionamento do plano de fogo.................... 79
Tabela 23. Parâmetros do plano de fogo .................................................................................. 80
Tabela 24. Dados dos registros de vibração no teste de validação. .......................................... 81
Tabela 25. Dados dos registros de pressão acústica no teste de validação. .............................. 82
LISTA DE SIGLAS
ANFO: Amoniun nitrate fuel oil – Nitrato de amônia e oléo combustível.
ANZEC: Australia New Zeeland Explorers Club.
CETESB: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo.
CMRI: Central Mining Research Institute.
DIN: Deutsches Institut für Normung – Instituto Alemão para Normatização.
E din: Módulo de Young dinâmico
NBR: Norma Brasileira elaborada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas.
OSMRE: Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement – Departamento de vigilância a recuperação de mina superficial.
PPV: Peak Particle Velocity- Velocidade de vibração pico da partícula.
PVS: Peak Vector Sum – Soma vetorial da velocidade pico da partícula.
RMR: Rock Mass Ratio.
UNE: Una Norma Española.
USBM: United States Bureau of Mining.
propagação para as vibrações e prever de maneira efetiva o comportamento das mesmas em um dado local.
A aproximação dos limites das minas do Quadrilátero Ferrífero às comunidades vem mostrando um maior número de reclamações relativas aos impactos, entre outros no tocante a vibrações e pressão acústica pelo desmonte de rochas com explosivos no processo de lavra. Analisando os limites futuros de lavra, percebe-se que com o passar dos anos, a distância entre as minas e comunidades tende a se estreitar e em muitos casos as comunidades tendem a crescer em direção das operações. A Figura 1 mostra o caso específico de uma mina do Quadrilátero Ferrífero que frequentemente realiza detonações e está próxima a uma comunidade.
Figura 1. Proximidade entre a mina em estudo e a comunidade
Nesse contexto, percebe-se a necessidade de realizar estudos científicos que contribuam para a manutenção desta lavra de minério de ferro, de modo com que ela atue com desmonte de rochas controlado, isto é, de modo a evitar danos estruturais e incômodo à população da comunidade.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVOS GERAIS
Determinar a carga explosiva máxima por espera e dimensionar o plano de fogo para a mina do Quadrilátero Ferrífero em estudo, de forma a realizar lavra com desmonte de rochas com explosivos controlada a fim de proteger estruturas e minimizar o incômodo humano, no que diz respeito aos efeitos das vibrações e da pressão acústica induzidas pelas detonações.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar a lei de propagação de vibrações para o local de estudo. Caracterizar o comportamento dinâmico dos maciços rochosos que ocorrem na zona de lavra atual e futura da mina em estudo do Quadrilátero Ferrífero. Comparar os atuais registros de vibração e pressão acústica com normas/padrões de admissibilidade. Plotar mapas de contornos de isovalores de vibração e pressão acústica para o local de estudo. Determinar a carga máxima admissível por espera a ser utilizada no desmonte de rochas com explosivos da mina em estudo para uma velocidade limite admissível de vibração e níveis de pressão acústica segundo normas/padrões de danos estruturais e incômodo humano. Dimensionar um plano de fogo que atenda normas/padrões de danos estruturais e incômodo humano de pressão acústica e vibração de terreno.
