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Método de lavra: Câmaras e Pilares (UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)

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1 Método de lavra: Câmaras e Pilares (UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)

2 O método de câmaras e pilares (room and pillar):

3 Importância prática do método câmaras e pilares: Método muito usado em minas de carvão e não-carvão em todo o mundo. Na década de 70 nos USA, mais de 50% da produção (subsolo) de carvão vinha deste método. Atualmente, boa parte da produção é ainda feita por C&P. É o método de lavra usado na mineração subterrânea de carvão no sul do Brasil.

4 Aplicações diferenciadas do método C&P: - Em rochas duras (hard rock) por exemplo: calcário, dolomita, metais (chumbo, zinco, cobre, ouro, etc.) - Em rochas friáveis (soft rock) por exemplo: carvão, potássio, sal

5 Condições do depósito para aplicação do C&P em rochas duras: - resistência do minério: moderada a alta; -resistência da encaixante: moderada a alta; -forma: tabular, lenticular (variável); -mergulho: geralmente < 30 o com a horizontal; -teor do minério: baixo a moderado; -uniformidade: variável; -profundidade do depósito: rasa a moderada.

6 C&P em rochas friáveis: - resistência do minério: fraca a moderada; -resistência da encaixante: moderada a alta; -forma: tabular (em camadas), grande extensão lateral; -mergulho: geralmente horizontal ou < 15 o com a horizontal; -boa uniformidade de teores e espessuras de minério; -profundidade do depósito: em carvão, preferencialmente inferior a 600 metros.

7 Características do método C&P em aplicações não-carvão: - neste método retira-se minério de câmaras (stopes), que permanecem abertas durante a lavra; pilares são deixados para suporte do teto; - o teto deve manter-se intacto (parafusos de teto são comumente instalados para reforçar os estratos); - as câmaras e os pilares são, em geral, organizados em padrões regulares; pilares podem apresentar seção transversal circular, quadrada ou retangular; - para obter-se máxima recuperação de minério, os pilares são confeccionados com as menores dimensões possíveis.

8 Animação de atividades de desenvolvimento e produção no Câmaras e Pilares: \vídeos\rap.exe

9 Características... (cont): - Variações geológicas originam diferentes variações do método: C&P clássico Aplica-se a depósitos horizontalizados, apresentando estratos mineráveis que vão de moderada a grande espessura. Nos stopes, o piso é mantido plano, viabilizando o trânsito de veículos sobre pneus. Corpos de minério de grande dimensão vertical são minerados em fatias horizontais, iniciando no topo e finalizando no piso, com desmonte em bancadas.

10 C&P clássico (mecanização completa):

11 C&P clássico (mecanização parcial):

12 Características... (cont): Step mining É uma adaptação para o caso onde o mergulho do corpo de minério é grande demais (15 o a 30 o ) para usar equipamentos sobre pneus, ao mesmo tempo em que sua espessura é relativamente pequena (2 a 5 metros). Uma orientação especial das galerias de trânsito e dos stopes cria áreas com piso horizontalizado, permitindo o uso de equipamentos sobre pneus. A mineração progride de cima para baixo nos painéis de lavra.

13 Step mining

14 Características... (cont): Post-pillar mining Aplica-se a depósitos inclinados, com mergulho entre 20 o e 55 o. Possuem grande dimensão vertical, e o espaço minerado sofre enchimento (backfilling). O enchimento mantém a rocha estável (minimiza pilares) e serve como plataforma de trabalho para a próxima fatia.

15 Post-pillar mining

16 As recuperações de lavra (% extração típica) no C&P são variáveis em função do tipo de minério, como mostra o quadro abaixo. Fonte: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock. Comparar carvão e ñ-carvão nos USA!

17 Recuperações de lavra (% extração típica) em situações de rochas duras - hard rock: - podem ser tão altas quanto 85% e são obtidas em geral na lavra em avanço; - recuperações de pilares são raras, pois pilares são pequenos e remoção é de risco; - às vezes os pilares são irregulares e remoção sistemática é impossível.

18 Equipamentos no C&P hard-rock: - diesel em geral (FEL-front end loaders, LHD's, jumbos, trucks); todos equipamentos móveis (sobre pneus) devido à significativa extensão horizontal dos corpos de minério.

19 Configuração do C&P em rocha dura... ( Mina Nova - AngloGold-GO/BRA, ouro)

20 Configuração do método C&P no carvão: - aberturas ortogonais regularmente espaçadas formam arranjo de pilares quadrados ou retangulares; - galerias de desenvolvimento (eixo) e de explotação (painel) possuem normalmente características bastante semelhantes; várias galerias paralelas e conectadas por travessões;

21 Configuração... (cont.) - é um método de mineração em larga- escala, com vários painéis podendo ser conduzidos simultaneamente; - a unidade básica de mineração é o painel, que define a área a ser trabalhada e ventilada.

22 Configuração... (cont.) Eixo principal Painel de lavra Galerias de retorno de ar contaminado

23 Vista geral de mina de carvão empregando C&P (Mina Fontanella, Treviso-SC) Plano inclinado de acesso principal Poço de ventilação (exaustão) Painel de lavra (projeto) Eixo em desenvolvimento

24 Principais parâmetros de projeto de C&P no carvão: a) dimensões das galerias b) dimensões dos pilares c) lavra com ou sem recuperação de pilares d) número de frentes no painel

25 a)dimensões das galerias: -larguras de 5 a 6m são bastante comuns atualmente; -a altura é limitada pela espessura de carvão minerável (nas jazidas de SC, a seção é retangular com alturas que vão de aprox. 2,0m até 3,5m); -condicionam o escoramento de teto; -interferem em aspectos operacionais e de segurança; -as dimensões são usadas no cálculo da recuperação de lavra.

26 Escoramento de teto: Atualmente, para que o método Câmaras e Pilares tenha sucesso, as jazidas devem apresentar uma particular condição geológica de teto. Os extratos sobrejacentes à camada de carvão devem ter condição de auto-sustentação ou serem passíveis de ancoragem (há vários tipos de ancoragem com parafusos de teto, com princípios de funcionamento diferentes - ver Anexo A). Devido os custos, escoramento com arcos metálicos ou madeira são usados apenas em áreas restritas da mina.

27 b)dimensões dos pilares: -influem em aspectos operacionais (p.ex. distâncias de transporte) e de segurança (risco de colapso de pilares); -influem na recuperação de lavra; Tipos de pilares: -pilares quadrados e pilares retangulares -chain pillars (pilares internos do painel de lavra) -barrier pillars (pilares de segurança) Leitura complementar sobre pilares no C &P: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock; cap a 59.3.

28 Recuperação de lavra: -parcela da reserva minerada em relação à reserva total. Exemplo comparativo de recup. no painel: 1)Painel com pilar quadrado de 14m de lado e galeria de 6m de largura... 2)Painel com pilar quadrado de 11m de lado e galeria de 6m de largura...

29 1)área do pilar Ap = 14 2 área total At = 20 2 Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 51% 2)Ap = 11 2 At = 17 2 Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 58%

30 Comparativo de recuperações de lavra em painel com pilares quadrados e galerias de 6m de largura:

31 c)lavra com ou sem recuperação de pilares: modos mais comuns de lavra... em avanço e sem recuperação de pilares (como é feito no Brasil); com recuperação de pilares em retrocesso (feito em vários países, p.ex. USA).

32 Estratégias de recuperação de pilares:

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34 Equipamentos para auxílio na recuperação de pilares:

35 Exemplo de painel de lavra: Mina Leão (CRM-Rio Grande do Sul)

36 Lavra com recuperação de pilares:

37 d) número de frentes para operação eficiente dos equipamentos no painel: O avanço do painel é feito através de diversas galerias paralelas (5 ou mais galerias, dependendo da mina) ligadas por travessões. Precisa-se de mais frentes no modo convencional (drill-blast-load-haul) e menos frentes com continuous miner. O uso de continuous miner prejudica menos o teto e pilares e produz material fino.

38 Informações necessárias (essenciais) para planejamento de mina de carvão: -mapa de espessura de camada; -mapa de profundidade da camada; -mapas de qualidade... teor de cinzas, poder calorífico, enxofre, voláteis; -dados geomecânicos do minério, piso e teto; -mapa estrutural (falhas, diques,...).

39 Vantagens do método C&P: Moderada a alta produtividade (m 3 /homem-hora) Moderado custo de lavra (custo relativo=0.3) Moderada a alta taxa de produção Alto grau de flexibilidade (admite espessuras variáveis no minério); método facilmente modificável; pode operar em múltiplos níveis simultaneamente Permite alto grau de mecanização

40 Método seletivo, permite deixar material estéril no local. Não requer muito desenvolvimento antecipado. Pode ser operado em múltiplas frentes. Razoável recuperação sem extração de pilares (50-65% em carvão), baixa diluição (10-20%). Comparando com Longwall: LW é pratic. inflexível, requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são eventualmente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.

41 Na comparação direta com Longwall: LW é pratic. inflexível, requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são freqüentemente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.

42 Desvantagens: -Requer contínua manutenção do teto e, eventualmente, dos pilares. A tensão nos espaços abertos aumenta com a profundidade. -Significativo investimento de capital para mecanização extensiva. -Perda de minério nos pilares.

43 No caso do C&P em rochas duras, pode haver dificuldade de conseguir boa ventilação para diluição de contaminantes no painel em razão da baixa velocidade de ar nos grandes espaços abertos. Requer bom suporte técnico e de engenharia.

44 Equipamentos usados na lavra no método câmaras e pilares para carvão: Conjuntos mecanizados convencionais; Conjuntos mecanizados com LHDs; Continuous miners; Calhas de arraste + carregadeiras Bob-cat.

45 Equipamentos do conjunto mecanizado convencional:

46 Exemplo de conj. mecanizado convencional usado na Carbonífera Metropolitana S.A. (SC-BRA)

47 Equipamentos operando com continuous miner: Shuttle-car Roof bolter

48 Configuração de painéis: Continuous miner.

49 Painéis Drill & blast

50 Considerações sobre aplicabilidade do método C&P no carvão Características das camadas: -para continuous miners e equipamentos convencionais drill&blast – camadas entre 1 e 4m; -características estruturais têm grande influência no sucesso do método;

51 Características estruturais... -presença de falhas e diques podem inviabilizar a seqüência de lavra do painel (no caso de deslocamentos verticais acentuados na camada de carvão); podem provocar mudança do padrão de avançamento e equipamentos da frente de lavra; demandam cuidados especiais no escoramento de teto (reforço de teto, telas,...)

52 Características estruturais... -mergulho da camada mineralizada se for acentuado pode inviabilizar transporte sobre pneus que funciona bem com shuttle-car até 14 ou 15% (em rochas duras as declividades usadas vão até +/- 20%, com LHDs); equip. sobre esteiras funcionam até +/- 25%;

53 Características estruturais... -espessura de overburden: pressão vertical e resistência de rochas sedimentares limitam exploração de carvão a não mais do que 1200m de overburden; nos USA, camâras-e-pilares são normalmente usados até 600m de overburden e longwall entre 600m e 800m; no sul do Brasil, overburden do carvão para as minas em atividade geralmente é menor que 300m.

54 Características do piso e teto... -C&P aceita condições variadas de teto devido às diferentes alternativas de escoramento. A redução dos vãos pode livrar o teto de condições precárias, mas resulta em perda de recuperação. -Longwall requer folhelhos/siltitos (rochas c/baixa resistência como teto imediato) nos primeiros 10 ou 20m de teto.

55 Características do piso e teto... -piso fraco/macio traz problemas para pilares e impede boa produtividade de equipamentos sobre pneus; -Longwall é mais problemático em piso macio do que C&P.

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57 ANEXO A: Parafusos de teto

58 Parafusos de teto Esta técnica de escoramento consiste na introdução de uma haste metálica em um furo, solidarizando-a com o maciço por ancoragem, selagem (resina ou cimento) ou fricção. Vantagens deste tipo de escoramento : -baixo custo -pode ser mecanizado e a instalação é relativamente fácil -permite uma seção útil maior para a galeria -pode ser combinado com outros métodos de escoramento -permite escorar aberturas de grande altura.

59 Diferenças principais com os outros tipos de escoramento : - a força de confinamento ( F ) exercida pelo parafuso implica na existência de uma reação equivalente ( R ) mais ou menos repartida no maciço. Nos outros escoramentos, a reação se encontra na superfície oposta. Ação e reação sobre o maciço dos diferentes tipos de escoramento

60 Tipos de parafusos: 1. ancoragem pontual 2. ancoragem repartida 3. parafusos à fricção Parafusos à coquilha de expansão 1. Parafusos a ancoragem pontual Consiste em colocar no furo uma haste ancorada no fundo do furo por uma coquilha a expansão ou uma cunha expansora. As hastes geralmente empregadas são de aço dúctil ou aços de alta resistência.

61 Sistema de ancoragem ( o parafuso com coquilha ) É composto por : - um cone de expansão solidário à haste -a coquilha que se alarga ( semelhante ao sistema de bucha-parafuso ) sob ação do cone de expansão pressionando-a contra a parede do furo. Funcionamento do sistema cone-coquilha Quando se exerce uma tração sobre a haste se estabelece um equilíbrio duplo entre cone e coquilha e coquilha-parede do furo. Equilíbrio de um sistema à expansão

62 2. Parafusos a ancoragem repartida: O sistema consiste numa haste solidarizada ao terreno por meio de um produto químico, como resina ou cimento. É utilizada uma placa, que neste caso não é essencial ao funcionamento do parafuso. Este tipo de parafuso permite o escoramento por confinamento (o objetivo é lutar contra cisalhamentos ou abertura de fissuras). No parafuso, a ancoragem pontual atua como escoramento portante. As hastes utilizadas são de três tipos (ver figura abaixo).

63 A resina: Produto composto (resina + endurecedor). É um material de alta resistência: Rc = 120 a 140 Mpa; t = 30 Mpa. Esquema de Colocação

64 Cimento Os produtos mais utilizados são : - cimento puro + água - mistura cimento+brita+água nas proporções(em peso): 42%, 42%, 16%. - produtos comercializados pelos fabricantes de parafuso Em uma haste selada no comprimento L em um furo de diâmetro D, exercendo um esforço de tração F no eixo da haste, pode haver : - uma ruptura do produto de selagem - um escorregamento da haste. Esquema de colocação

65 3. Os parafusos à fricção ( atrito ) Split – set: É composto por um tubo fendido ao longo da geratriz. O parafuso é introduzido em diâmetros de 36 mm por meio de um martelo perfurador. O modelo standard tem as seguintes características : - espessura de tubo : 2.3 mm - diâmetro exterior : 38 a 39 mm

66 Swellex: É fabricado pela Atlas-Copco. É composto por um tubo dobrado que, por injeção de água, se deforma e ocupa o furo. Atinge até 3,6m de comprimento e pode ser acoplado com outros tubos. Vantagens:

67 ANEXO B: Dimensionamento de pilares em mina de carvão

68 Dimensionamento de pilares em mina de carvão pelo método da área tributária: É o método mais simples de dimensionamento e, com algumas adaptações, serve tanto para carvão (corpos tabulares horizontalizados) quanto para outros depósitos geometricamente regulares (p.ex.: corpos metalíferos estratiformes e lenticulares). Neste método, só o estado de tensão axial nos pilares é levado em conta.

69 Passos para dimensionamento de pilares em carvão: a)Determinar σ c (resistência à compressão uniaxial) da rocha que compõe os pilares, obtida de testemunhos de sondagem, referente ao diâmetro D dos testemunhos (D em polegadas). 1 psi = 6,895 x 10 3 N/m 2 b)Determinar k = σ c D ½, onde k é a constante que relaciona a resistência à compressão uniaxial de pequenas amostras com σ 1, a resistência à compressão uniaxial de volumes de rocha de dimensões comparáveis aos pilares in-situ. O parâmetro σ 1 é dado por: aplicável quando a espessura h da camada minerada é > 36 polegadas (0,9m); aplicável quando a espessura h da camada minerada é < 36 polegadas.

70 c)Definir a equação de resistência σ p dos pilares de mina. Há várias equações diferentes, obtidas a partir de estudos diversos. Entre as mais usadas (w=largura do pilar, h=espessura do pilar):

71 Obs.: se o pilar não for quadrado, fazer w = w e na fórmula de σ p, onde w e = 4 A p / C. A p = área do pilar (perpendicular ao eixo vertical) que sofre o carregamento axial devido à cobertura H; C = perímetro externo do pilar. (Ref.: Brady & Brown, cap.13.) d)Definir a largura da galeria B.

72 e)Determinar a carga S p sobre o pilar, para uma espessura H de cobertura na área do depósito. S p = γ H [ (w+B)/w ] [ (L+B)/w ], sendo γ = peso específico médio da cobertura; L = comprimento do pilar. f)Escolher o fator de segurança F. Fazer σ p / F = S p e resolver esta equação para w. O intervalo 1.5 F 2.0 é usado em geral, mas cada fórmula possui recomendação quanto ao F a ser empregado.

73 g)Verificar a recuperação de lavra, supondo que a espessura total da camada será minerada: Rec = 1- [ w/(w+B) ] [ L/(L+B) ]. h)Se a recuperação não for aceitável e precisar ser aumentada, diminuir w e/ou L para satisfazer à meta. Verificar se a nova combinação w e L é aceitável do ponto de vista de estabilidade ( F = σ p / S p ). Na fórmula de Bieniawski, F=1.5 é usado para pilares de curta duração (em painéis); F=2.0 para pilares de longa duração (eixos).

74 Exemplo: Verificar a seguinte configuração de pilares de mina de carvão, em termos de segurança e recuperação de lavra... H = 500ft (152m); B = 18ft (5.5m); w = 60ft (18.3m); L = 80ft (24.4m); h = 7ft (2.1m). O valor de k é 5580, baseado em σ c = 3822 psi, obtido de testes em testemunhos de diâmetro NX. Usar a fórmula de Bieniawski para cálculo da resistência dos pilares.

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