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estabilidade de minas subterranea
Tipologia: Esquemas
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Agnaldo T. Lima Aurélio J. Zunguene Domingos M. Júnior Edmilson J. Muianga Ema J. Roque Florinda G. Vilanculos Julinda B. Afonso Marina C. Jemuce Nárcia D. Jó DOCENTE: eng.º Arsénio Changanane
Agnaldo T. Lima Aurélio J. Zunguene Domingos M. Júnior Edmilson J. Muianga Ema J. Roque Florinda G. Vilanculos Julinda B. Afonso Marina C. Jemuce Nárcia D. Jó
Trabalho apresentado ao Instituto Superior Politécnico de Tete, precisamente a cadeira Planificação Mineira I, no âmbito de descrição das temáticas relativas ao Controle da Estabilidade Subterrânea, mediado pelo eng.º Arsénio Changanane.
É necessário o monitoramento para poder acompanhar a evolução dos fenômenos mecânicos que acompanham as aberturas subterrâneas, o monitoramento continuo é necessário em todos os estágios presentes nas aberturas subterrâneas com o intuito de verificar a eficácia dos trabalhos de sustentação assim como supervisar a influência dos trabalhos no entorno como são os assentamentos em superfície a afetação em outras aberturas próximas estes trabalhos de monitoramento também permitirão garantir a segurança da abertura subterrânea. Na exploracao subterrânea, a relação estéril-minério é menor que no método a céu aberto. Porem, nesses casos, emerge os desafios do controle da estabilidade das aberturas subterrâneas e da manutenção da qualidade da atmosfera subterrânea. Desde os primordios da mineração subterrânea, a ventilação de áreas de lavra ou de áreas ocupadas pelo homem têm sido uma das principais preocupações. Curiosamente, em seu livro De Re-mettalica , publicado em 1556, Georgius Agricola dedicou um capítulo ao tema de ventilação. O desenvolvimento tecnológico de sistemas e equipamentos que favorecem as condições de ventilação em minas subterrâneas se deu principalmente a partir da segunda metade do século XIX. Como exemplo, pode se citar a mina de St. John Del Rey Mining Company , localizada Nova Lima (MG), que registrou a instalação de um conjunto de ventiladores centrífugos, de pás rectas, movidos a vapor, ja em 1890 (MMV, 1996). Actualmente percebe-se que as tendências na indústria da mineração demonstram que as minas subterrâneas tendem a ser mais profundas, de acesso muito mais difícil, o que aumenta os riscos do negócio. Por sua vez, as lavras em maiores profundidades exigem técnicas mais avançadas da mineração que propiciam o aumento de productividade, é um esforço para alcançar margens satisfatórias de lucro. Inevitalmente, a sofisticação dos métodos de lavra requer um aumento substancial da mecanização das actividades operacionais de lavra e desmonte. Segundo Brake (2009), sem dúvida, um dos impactos mais profundos na ventilação das minas subterrâneas metalíferas nos últimos 100 anos foi a introdução de equipamentos a diesel, porem esses equipamentos introduziram novos riscos relacionados com com os subproductos de sua combustão em ambientes confinados, os quais podem tornar inrespiravel a atmosfera no interior das minas ou mesmo danosa a saúde dos trabalhadorees (EPA, 2000), caso os controles adequados nao sejam levados em consideração.
— Descrever os métodos artificiais e naturais para o sustento da estabilidade do maciço rochoso em uma lavra subterrânea.
— Identificar os tipos de suportes usados na lavra subterrânea — Mencionar medidas de controlo da estabilidade das escavações
Se tratando de um trabalho acadêmico de carácter investigativo, o principal método usado na recolha de dados foi o método de pesquisa bibliográfica.
Características geotécnicas – a litologia, a hidrogeologia, a fracturação, e as características geomecânicas do maciço condicionam o tipo e a frequência de instrumentos a instalar, bem como a periodicidade das leituras.
Método de desmonte e ritmo de avanço – estes aspectos condicionam o tipo e o ritmo de instalação dos equipamentos e, ainda, a periodicidade das leituras.
As grandezas a medir devem ser definidas em função dos riscos existentes. Assim, é necessário ter presente que as principais manifestações de roptura estão ligados aos seguintes aspectos:
Para poder prever essas situações de instabilidade é necessário colocar instrumentos adequados em locais próprios, que permitam prever situações de colapso antes destas acontecerem, de modo a poder actuar preventivamente.
* Quadro I – Grandezas a Medir e Seus Respectivos Aparelhos de Medição
GRANDEZA A MEDIR APARELHO LOCAL DE INSTALAÇÃO
Medição de tensões no maciço e nos pilares
Células de pressão total, macacos planos de pequena área (SFJ).
Nas frentes de desmonte, nas paredes, nos pisos e nos pilares abandonados
Medições de carga nas ancoragens Células de carga
Na cabeça da ancoragem entre a chapa de distribuição de carga e o contorno da escavação
Deslocamentos à superfície
A avaliação destes deslocamentos é realizada com um teodolito sobre marcas topográficas ou pernos
As marcas topográficas ou pernos são colocados dentro e fora da zona de influência da escavação de modo a possibilitar a avaliação dos movimentos absolutos
Convergências (deformação do contorno da escavação)
Convergenciómetro (de haste, de fita e através de levantamento óptico)
São instaladas marcas numa secção da cavidade, sendo a convergência das cavidades obtida em função da variação das distâncias entre elas Controlo da abertura e deslocamento relativo de fracturas
Fissurómetros (eléctricos, “ Tale Tell ”, etc.)
Instalados nos bordos das fracturas, atravessando as mesmas
Deslocamentos no interior do maciço
Extensómetros (simples, múltiplos, etc.)
Instalados em furos de sondagem.
Deslocamentos horizontais internos Inclinómetros^
Instalados em furos de sondagem
Nível freático Piezómetros
Instalados em furos de sondagem
Microfracturação Geofones
Estes equipamentos podem ser instalados em furos de sondagem, transmitindo os sinais a sistemas de registo
De todas as grandezas que se podem medir nos desmonte, a medição de convergências reveste-se de uma importância fulcral pois permite avaliar, de um modo simples e rápido, os deslocamentos relativos nos contornos das cavidades. Trata-se de um método que fornece informação preciosa sobre a estabilidade dos desmontes, devendo por esse facto ser utilizado desde o início da exploração.
A presente metodologia foi desenvolvida diante da necessidade de análise histórica da deformação progressiva de maciço rochoso, com objetivo de fazer inferências retrospectivas e progressivas da convergência em aberturas subterrâneas.
Gráfico 1 – Deformação progressiva X Tempo
Gráfico 2 – Deformação progressiva X Tempo
0
2 25/4/12^ 27/4/12^ 29/4/12^ 1/5/12^ 3/5/12^ 5/5/12^ 7/5/12^ 9/5/12^ 11/5/12^ 13/5/12^ 15/5/12^ 17/5/12^ 19/5/12^ 21/5/12^ 23/5/12^ 25/5/12^ 27/5/12^ 29/5/
Deformação progressiva (mm)
Gráfico 01: Leitura sem regressão Linear - Deformação progressiva X Tempo
LEITURA DE CONVERGÊNCIA BASE: LATERAL - PISO Detonação 1 Detonação 2 Detonação 3
y = - 1.476x + 60557
y = - 0.1349x + 5529.
0
2 25/4/12^ 27/4/12^ 29/4/12^ 1/5/12^ 3/5/12^ 5/5/12^ 7/5/12^ 9/5/12^ 11/5/12^ 13/5/12^ 15/5/12^ 17/5/12^ 19/5/12^ 21/5/12^ 23/5/12^ 25/5/12^ 27/5/12^ 29/5/
Deformação progressiva (mm)
Gráfico 02: Leitura com regressão Linear - Deformação progressiva X Tempo
Detonação 1 Detonação 2 Detonação 3 LEITURA DE CONVERGÊNCIA BASE: LATERAL - PISO Leitura inferida em intervalo com detonação Leitura inferida em intervalo sem detonação Linear (Regresão Linear em detonações 1,7mm/dia) Linear (Regressão Linear sem detonação 0,14mm/dia)
Os gráficos 1 e 2 mostram o resultado da convergência em uma abertura subterrânea e como são reconstituídos os dados quando foi desconfigurada e/ou perdida a sequencia das leituras.
O intervalo de leituras realizadas para a demonstração da técnica foi de 35 dias, com dois intervalos com ausência de dados, sendo o primeiro com detonação e o segundo sem detonação. A deformação acumulada total neste período com o ajuste de regressão linear foi de 9,7 mm, com média de deformação de 0,14mm/dia para deformações sem influência das detonações e 1,7mm/dia com influencia das detonações. Para o cálculo do intervalo sem leitura com o conhecimento da detonação 3, foi construída uma linha de tendência de regressão linear a partir do histórico das leituras anteriores e posteriores no intervalo onde houve detonações (ver gráfico 2). Foi traçado uma segunda linha de tendência a partir dos dados onde o maciço se comportou de uma maneira mais estável sem influencia das detonações
Através do método das leituras de convergência, os dados obtidos foram sistematizados e posteriormente interpretados de forma gráfica, com a utilização de regressão linear parcial e/ou total. A regressão linear nos permite inferir a probabilidade da deformação dos maciços nos intervalos com desconfiguração e/ou ausência de leitura, bem como estimar a deformação total do maciço desde o início da abertura e o possível comportamento deste perante os fatores de tensões e/ou adicionado a outros fatores como detonações e mudanças do layout nas aberturas subterrâneas.
Essa metodologia é proposta para utilização em escavações subterrâneas, independente das características geomecânicas do maciço rochoso. Vale ressaltar que para os resultados serem mais próximos do real, é importante a maior quantidade de informações acumuladas nos períodos de atividade da escavação.
Para uma seção de convergência foi levantado os seguintes dados, onde:
Data→ é o dia que foi registrado a leitura;
Delta t→ é a diferença entre a data da leitura e a atual;
L0→ é a primeira leitura do registro, ou quando a leitura foi interrompida ou perdida por defeitos no aparelho ou na instalação;
O plano de medições, também conhecido como plano de observação, deverá ser definido na fase de projecto, podendo ser objecto de alteração depois de iniciados os trabalhos. Esta definição deverá ser efectuada por pessoas habilitadas para tal, devendo o responsável técnico da exploração tomar parte nesta fase. O plano deve ser projectado atendendo aos princípios da economia e da segurança.
Este plano, que fará parte integrante do Plano de Lavra da exploração, deverá conter as seguintes informações: ─ Identificação dos principais riscos para a estabilidade; ─ Definir as grandezas a medir em função desses riscos; ─ Definir os locais de instalação dos equipamentos; ─ Definir os equipamentos a utilizar em cada local; ─ Estabelecer a periodicidade das leituras para cada equipamento.
No momento da instalação dos instrumentos devem ser efectuadas várias leituras para determinar o valor da leitura inicial estabilizada. Todas as medições futuras serão realizadas em relação ao valor da leitura inicial, sendo o resultado destas dado pela diferença entre o valor da leitura num determinado momento e o valor inicial. A evolução desta diferença informa sobre o comportamento do maciço no que diz respeito à grandeza avaliada. Mal se verifique que os valores das medições apresentam tendência para a estabilização e não existem alterações na cavidade junto da zona de instalação dos aparelhos, então a periodicidade das medições pode ser reduzida, e vice versa. Como primeira aproximação neste tipo de actividades, a periodicidade das leituras pode ser definida do seguinte modo:
─ 1 medição diária durante as primeiras duas semanas; ─ 2 medições por semana até ao fim do primeiro mês; ─ 1 medição por semana até ao fim do segundo mês; ─ 1 medição por mês até aos seis meses; ─ 1 medição de três em três meses, depois dos seis meses (só utilizada em cavidades abandonadas).
Quando se notarem variações nos valores das leituras deve voltar-se a realizar medições diárias para verificar se essas variações se mantém ou estabilizam.
No acaso de cavidades abandonadas devem ser realizadas medições nos primeiros anos com periodicidade trimestral e só deixar de o fazer se não se detectarem alterações e se os trabalhos de desmonte não evoluírem para a proximidade destas.
Depois de efectuadas as leituras há necessidade de tratar os dados recolhidos. Assim, numa primeira fase, deve-se fazer uma análise crítica da leitura, se possível no local, comparando com os resultados da última leitura, com o objectivo de avaliar o resultado obtido, relativamente a uma possível situação de alarme ou não, e para que se possam eliminar leituras anómalas por comparação com os resultados de aparelhos adjacentes.
Os resultados obtidos deverão posteriormente ser tratados através da sua representação em gráficos contendo as diferenças relativas e acumuladas de cada grandeza em função do tempo. Esses resultados deverão ser guardados em ficheiros informáticos que permitam extrair diferentes tipos de dados agrupados por aparelho, e por data, entre outros, e que possibilitem a elaboração de gráficos de um modo fácil e rápido. O conjunto de dados, que resultam das medições, poderá ser utilizado para definir um modelo, por exemplo através do Método dos Elementos Finitos, e calibrá-lo de modo a poder prever o comportamento do maciço no futuro, através de retroanálise. Este comportamento pode ser facilmente representado através de perfis dos desmontes, que nos informam da distribuição de tensões, dos deslocamentos e dos possíveis pontos de rotura, e que generalizam a informação obtida com a monitorização. Para as grandezas a medir poderão, por ventura, ser estimados valores limites a partir dos quais se entra numa situação de alarme. No entanto, a estimativa destes valores não é fácil, dada a complexidade dos parâmetros geológico-geotécnicos envolvidos, pelo que a interpretação das medições deve basear-se, essencialmente, nos seguintes aspectos:
─ Acompanhamento geológico-geotécnico da exploração;
─ Estudo do comportamento das curvas deslocamento-tempo (velocidades e acelerações dos deslocamentos);
─ Comparação entre os valores obtidos para os vários locais monitorizados; ─ Comparação com os resultados dos modelos analíticos e numéricos aplicados à escavação na fase de projecto.
Para que tais acções possam ser conseguidas, há que escolher e dimensionar correctamente o tipo de sustimento a utilizar e, além disso, atender ao factor tempo no que respeita à aplicação do mesmo, uma vez que a deformação do maciço ocorre em função do tempo.
A acção dos trabalhadores (encarregados e operários) pode ser importante, senão fundamental, na detecção e resolução de problemas relacionados com a estabilidade da exploração subterrânea. A formação destes e o incremento da sua sensibilidade para os problemas que podem ocorrer, bem como para os sinais que o maciço poderá dar, possibilitará uma maior segurança nas explorações, um aumento da produtividade e uma redução de custos na resolução de tais problemas, dado que os mesmos podem ser prevenidos através de uma detecção atempada. O facto dos trabalhadores participarem no estudo do comportamento das cavidades, permitirá a obtenção de mais informação por parte dos engenheiros, no sentido de repensarem determinados aspectos do projecto de engenharia (ex. elementos de suporte a utilizar, etc.). De acordo com Parker (1973), há que distinguir duas situações de estudo relativamente ao sustimento: as que evoluem demasiado em estudos teóricos para dar uma verdadeira explicação ao problema; e as que não contemplam a ciência e avançam por instinto podendo inviabilizar o recurso mineral existente. Ambos pecam por falta de ponderação e de uma análise adequada da situação. Assim, a melhor abordagem é aquela que alia a teoria à prática, ou seja, que junta o trabalho de escritório e laboratório com a recolha de informação no campo, a uma escala correcta do problema.
O dimensionamento do sustimento adequado para determinada situação de instabilidade, assenta na necessidade de conhece-la e tentar prever a sua ocorrência antes que provoque danos. Ao nível da lavra subterrânea. No que se refere aos casos de instabilidade presentes na exploração subterrânea, os principais problemas que aparecem estão relacionados com quedas de blocos, planares (essencialmente nas frentes de desmonte) e em cunha (nas paredes e tecto das cavidades) e com a roptura de pilares naturais (pilares esteios ou pilares barreira, e pilares soleira). Ambas as situações podem resultar
em danos graves, embora a rotura de pilares assuma uma importância maior no que concerne à continuação da exploração, pois pode conduzir à ruína das cavidades, enquanto a queda de blocos, normalmente, assume um carácter pontual.
Para evitar estes fenómenos deve conhecer-se o maciço rochoso, bem como as fontes de instabilidade resultantes da presença das cavidades mineiras que, segundo Hoek e Brown (1980), são as descritas no Quadro 2.
* Quadro II – Principais causas de instabilidade de cavidades subterrâneas em maciços rochosos. (adaptado de Hoek e Brown, 1980) FONTES DE INSTABILIDADE CAUSA^ CONSEQUÊNCIA^ MEDIDAS
Condições geológicas adversas
Falhas, fracturas Queda de blocos
Orientar convenientemente os desmontes e aplicar
Estado de tensão in situ
Tensões elevadas
Elevada concentração de tensões nos contornos das cavidade que podem levar à rotura
Adoptar uma forma de secção de desmonte favorável ao estado de tensão e instalar sustimento apropriado Expansão ou decomposição da rocha por acção de água e/ou
Filões, zonas de alteração ou rochas
Alteração e escorregamento
Isolar estes locais da água e do ar (revestimento)
Pressão hidráulica ou percolação da água
Pressões excessivas da água subterrânea
Escorregamentos de zonas alteradas ou de blocos individualizados
Drenagem adequada da água, quer à superfície, quer em profundidade
Para estudar as situações de instabilidade descritas anteriormente, podem ser utilizadas várias técnicas de estudo, das quais se destacam a projecção estereográfica de igual área (permite o estudo de escorregamento de blocos em função da orientação das diaclases e da direcção da frente de desmonte), os métodos probabilísticos (possibilitam o estudo de escorregamento de taludes) e os métodos de análise numérica (permitem estudar o maciço rochoso adjacente, a estabilidade dos pilares naturais, o desempenho de sustimento artificial, etc.).
c) Compressibilidade
d) Momento da Aplicação
Os elementos de sustimento a utilizar nas cavidades subterrâneas podem ser provisórios ou definitivos de acordo com o local de aplicação. Assim, nos tectos das cavidades e nos pilares, devem ser colocados elementos definitivos, os quais devem ser dimensionados com esse propósito, dado que são zonas onde se deixa de ter acesso fácil com o evoluir dos desmontes, enquanto nas paredes ou hasteais se devem utilizar elementos de sustimento provisório, caso ainda se vá desmontar a zona onde estes foram instalados. Quanto à continuidade, os elementos de suporte a utilizar são, na maior parte dos casos, descontínuos, embora possa ser equacionada a instalação de sustimentos contínuos em algumas zonas, tais como cintagens de pilares.
Relativamente à compressibilidade, os elementos que se prevêem instalar são geralmente compreensíveis, embora possa haver necessidade de instalar sistemas de suporte indeformáveis em algumas zonas cuja deformação possa por em causa a estabilidade do maciço, como é o caso dos pilares centrais da escavação.
No que diz respeito ao tempo de aplicação do sustimento, este deve ser aplicado no mais curto intervalo de tempo possível, logo após a abertura do vazio, de modo a actuar com maior eficácia.
Na indústria extractiva um dos métodos mais utilizado para estabilizar os maciços rochosos são as pregagens, cuja utilização tem vindo a ser incrementada ao longo dos últimos anos. Este método de suporte consiste num sistema pontual de sustimento que trabalha por atrito através do contacto contínuo com as paredes do furo. O recurso frequente às pregagens tem a ver com o facto das mesmas apresentarem as seguintes características:
Estes elementos de suporte são utilizados para contrariar a acção de peso de massas de rocha mais ou menos individualizadas. O tensionamento artificial destes elementos não é possível, sendo, no entanto, gerado pelos movimentos do maciço rochoso. Os principais tipos de pregagens, são os seguintes (Hoek, 1998):
Na Figura 2 ilustram-se os três tipos de pregagens referidos, sendo observáveis as principais diferenças entres elas.
A. Pregagem cimentada com varão de aço (fonte: Hoek, 1998)
B. Pregagem cimentada com cabo de aço (fonte: Hoek, 1998)
C. Pregagem tipo Split Set (fonte: Hoek, 1998) D. Força de atrito provocada pela pregagem Split Set
