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5ª Jornada Ibero-americana da Rede Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade Geotecnia Subterrânea 13 a 16 de Junho de 2012 Ouro Preto Brasil Rede Ibero-americana.

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1 5ª Jornada Ibero-americana da Rede Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade Geotecnia Subterrânea 13 a 16 de Junho de 2012 Ouro Preto Brasil Rede Ibero-americana Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade MASyS, Argentina, Bolívia, Brasil, Chile, Cuba, Equador, Espanha, México, Peru, Portugal e Venezuela Matilde Costa e Silva, Paula Falcão Neves UTILIZAÇÃO DE REJEITADOS DE MINA COMO ELEMENTOS ESTRUTURAIS E DE SUSTENTABILIDADE NAS EXPLORAÇÕES SUBTERRÂNEAS El USO DE RELAVES MINEROS COMO ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y DE SOSTENIBILIDAD EN EXPLORACIÓN MINERA SUBTERRÁNEA

2 Introdução Introdução Utilização como Elemento Estrutural Utilização como Elemento Estrutural Utilização como Elemento de Sustentabilidade Utilização como Elemento de Sustentabilidade Propriedades Geomecânicas dos Enchimentos Propriedades Geomecânicas dos Enchimentos Considerações Finais Considerações Finais ÍNDICE

3 INTRODUÇÃO Às explorações mineiras interessa: A máxima segurança dos trabalhos com a maior economia possível, visando sempre o bom aproveitamento do jazigo e preservando tanto quanto possível o ambiente envolvente. A qualidade da gestão das atividades mineiras mede-se pela correlação entre a sustentabilidade e a performance financeira. As atividades mineiras provocam localmente impactes negativos mas produzem também impactes positivos, contribuindo para o desenvolvimento sustentável da região.

4 INTRODUÇÃO PRINCIPAL CAUSA : Deposição de estéreis e de rejeitados à superfície. CONSEQUÊNCIAS COMUNS: Degradação dos ecossistemas envolvendo uma redução significativa da sua qualidade. No caso dos aquíferos a diminuição da qualidade é normalmente provocada pelo aumento da concentração de sedimentos nas águas e/ou contaminação por drenagem (alterações no pH, contaminação por metais pesados, etc.). Impactes ambientais em Minas Subterrâneas

5 INTRODUÇÃO Os custos ambientais que a atividade mineira apresenta, assim como a dificuldade de os estimar conduzem à procura de soluções como aquelas que o método de corte e enchimento proporciona, ou seja, o aproveitamento dos rejeitados como material de enchimento das cavidades subterrâneas. O custo acrescido ao custo total de produção, devido ao transporte e colocação destes materiais no interior da mina, é compensado pela diminuição ou até eliminação dos custos de reabilitação e manutenção dos locais de deposição à superfície, necessários para uma proteção ambiental sustentável.

6 INTRODUÇÃO A exploração mineira introduz fortes limitações na capacidade portante dos maciços rochosos onde se vão desenvolvendo os trabalhos mineiros, sendo por isso inevitável a colocação de elementos de suporte. Os rejeitados são elementos de suporte com capacidade de absorver grande parte da energia elástica de deformação armazenada no maciço resultante do aumento da dimensão das escavações.

7 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL W t - variação do trabalho de expansão no sentido do vazio W d - acréscimo da energia de deformação armazenada no maciço rochoso W S - energia absorvida pelo sustimento W k é a energia disponível para se libertar. Se a energia W k for libertada de forma descontrolada pode dar lugar a golpes de terreno com condições mais ou menos gravosas de acordo com o grau de fracturação do maciço rochoso e a dimensão dos vãos abertos. Parece assim evidente a necessidade de minimizar este valor. W t = W d + W S + W k O papel estrutural desempenhado pelo enchimento de cavidades pode ser explicado pela equação do balanço energético:

8 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL A parcela W k, pode ser diminuída aumentando a parcela W S que corresponde à deformação dos suportes, neste caso do entulho. a)Desmonte sem qualquer suporte; b) Desmonte com suporte por entulho compressível; c) Desmonte com colocação tardia do entulho; d) Efeito da compressibilidade do entulho.

9 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Controlo da convergência de cavidades Abertura da cavidade: O maciço rochoso deforma-se no sentido do vazio gerando uma zona descomprimida e consequentemente a alteração do estado de tensão.

10 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Controlo da convergência de cavidades Enchimento da cavidade: Admite-se na vizinhança imediata da respetiva superfície de contacto com o maciço rochoso, a instalação de uma tensão principal máxima, 1, na direção da pressão exercida pelo contorno rochoso e, nas duas direções perpendiculares a essa, de outras duas tensões principais, 2 e, 3, sendo esta última considerada a mínima pois é apenas devida ao peso próprio do enchimento.

11 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Controlo da convergência de cavidades Há que notar também que, colocando o enchimento pouco depois de se originar o vazio correspondente a uma dada fase de abertura de uma câmara, se criam condições para que esse entulho venha a ser comprimido mais fortemente quando, em fases de abertura subsequentes, as dimensões da câmara forem maiores e, consequentemente, as convergências forem mais importantes, aspeto este fundamental parra a sua boa atuação como suporte passivo.

12 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Os módulos de deformabilidade e as resistências dos entulhos são bastante inferiores aos dos minérios que das mesmas se retiraram. Os entulhos não repõem, nos contornos das cavidades abertas nos maciços, os estados de tensão pré-existentes, mas fornecem contribuições importantes no que respeita a contrariar as ações de compressão devidas as convergências. Provou-se experimentalmente, recorrendo a entulhos de rigidez cada vez maior, obtidos à custa de crescentes adições de cimento que a tensão máxima exercida na parede tende para um valor constante, da ordem de 60% do estado de tensão inicial no contorno do vazio; esta observação mostra também que, a partir de determinado valor do coeficiente de rigidez, não tem qualquer interesse prático melhorar a qualidade do entulho.

13 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Redução da importância de quedas de blocos quer de tetos quer de hasteais Nos tetos e nos hasteais das cavidades, a associação de fraturas e outras superfícies de descontinuidade pode originar individualização de blocos suscetíveis de cair, por simples ações de peso. Tais blocos encontram-se muitas vezes auto- sustidos pelos atritos nas superfícies de contacto, atritos esses favorecidos pelo estado de compressão natural dos maciços. A expansão do material rochoso no sentido dos vazios pode, nos contornos, provocar alívio das tensões de compressão tangentes aos mesmos, favorecendo a queda de alguns blocos.

14 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Reforço de pilares abandonados Abandonando-se um pilar, as componentes do estado de tensão, que atuavam no maciço deslocam-se não só para os extremos do vazio mas também para o pilar, que passa a constituir local de transmissão de tensões.

15 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Reforço de pilares abandonados Se as cargas transmitidas pelos pilares, forem elevadas estes têm tendência para fraturar por corte a meio das respetivas alturas, uma vez que ali, horizontalmente sobre o respetivo contorno, as componentes do estado de tensão têm que ser nulas. Estas fracturações fazem com que os locais das seções dos pilares onde se situam os máximos de tensão vertical se desloquem para o respetivo interior.

16 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Reforço de pilares abandonados No respeitante à melhoria da resistência dos pilares abandonados por efeito do confinamento lateral provocado por enchimento, tem sido desenvolvida diversa experimentação laboratorial, simulando as condições reais por meio de provetes cilíndricos de rocha rodeados por materiais suscetíveis de ser usados como enchimentos. A experimentação leva a concluir que a ação de confinamento exercida pelo entulho sobre um pilar abandonado reflete-se sobretudo na mobilização da resistência residual do pilar não sendo tão notória no aumento da tensão de pico destes. Uma das explicações deste mecanismo reside provavelmente na passagem de uma solicitação de compressão uniaxial para uma solicitação triaxial pelo efeito do confinamento do enchimento que se encontra a rodear o pilar.

17 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL Constituição de pilares artificiais A exploração de jazigos maciços, com grande desenvolvimento tridimensional, implica a impossibilidade de os explorar com sequências únicas de arranque que acabariam por originar vazios com dimensões e formas incomportáveis com a respetiva estabilidade dos contornos. Procede-se pois à sua subdivisão de forma a definir grandes câmaras de desmonte, que por sequências pré-determinadas (dependentes das características geométricas da massa mineral, da qualidade mecânica do minério e das formações encaixantes, da distribuição de teores, da disponibilidades quanto aos materiais que venham a ser utilizados como enchimento, etc.), vão sendo abertas e eventualmente cheias. As câmaras com grandes dimensões exigem que se assegure a estabilidade das superfícies verticais expostas de entulho. Para garantir a estabilidade destas paredes há, geralmente, a necessidade de recorrer a entulhos de características resistentes melhoradas (com a adição de agentes ligantes, sendo o mais corrente, o cimento Portland, cuja presa confere coesão ao enchimento).

18 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE O aproveitamento de rejeitados da lavaria ou de estéreis das explorações mineiras subterrâneas como materiais de enchimento pode contribuir em larga escala para o desenvolvimento sustentável das empresas mineiras. A mineração sustentável é, essencialmente, uma questão de economia do desenvolvimento promovendo uma cultura de responsabilidade social e ambiental. Neste contexto descrevem-se resumidamente algumas das melhorias das condições de trabalho introduzidas pela aplicação do enchimento para o reforço da sustentabilidade das escavações por corte e enchimento.

19 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE Melhoria das condições de trabalho dentro das câmaras de desmonte A utilização do enchimento como plataforma de trabalho é comum no método de corte e enchimento. A plataforma deverá oferecer condições adequadas para a circulação de pessoal e máquinas durante as várias fases do ciclo que se seguem à de entulhamento. Para que um equipamento móvel possa trabalhar é necessário que não se enterre no piso e que a resistência ao rolamento oferecida por este não seja muito elevada. Os enchimentos grosseiros como os escombros provenientes de arranque com explosivos quer do interior quer do exterior, aplicados no estado tal-qual ou após uma britagem primária, oferecem resistências relativamente elevadas mas proporcionam maus pisos de trabalho. Os rejeitados de lavaria e as areias com granulometrias mais finas permitem melhorar muito a qualidade dos pisos uma vez que originam agregados bastante densos gerando pisos relativamente lisos e razoavelmente resistentes, após consolidação.

20 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE Melhoria das condições de trabalho dentro das câmaras de desmonte Outra contribuição para a melhoria das condições de trabalho dentro das cavidades subterrâneas é a criação de tetos falsos nos desmontes descendentes por corte e entulhamento. Os sucessivos tetos falsos, que se vão criando com a deposição das camadas de enchimento aplicadas, têm a função de proteger o pessoal e os equipamentos. Após o arranque de cada fatia de minério, coloca-se no piso um estrado sobre o qual é depois lançado o entulho, que sobe até à parte inferior do estrado colocado no ciclo anterior. Estes tetos têm que suportar uma carga vertical relativamente reduzida, correspondente ao peso de uma ou duas camadas de entulho. Logo que as ações de convergência começam a atuar de maneira significativa, conseguem-se condições de auto sustimento pela mobilização das forças verticais de atrito.

21 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE Diminuição dos efeitos negativos da deposição de rejeitados à superfície A deposição, no exterior, dos produtos rejeitados pelas explorações, constitui-se como elemento agressor à paisagem e potencia a contaminação local e/ou regional dos cursos de água e do ar. A contaminação dos cursos de água e dos solos resulta da percolação, através das entulheiras, das águas pluviais que, assim, podem sofrer alterações muito significativas na sua composição e no seu pH. A contaminação do ar resulta essencialmente da ação do vento, a qual pode ser especialmente gravosa no caso do material depositado conter rejeitados de lavaria com calibres muito finos. Em casos especiais, pode haver ainda outros riscos a considerar, tais como os de incêndios de finos de sulfuretos, os de contaminação radioativa, etc.

22 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE Diminuição dos efeitos negativos da deposição de rejeitados à superfície A colocação, em subterrâneo, dos rejeitados das explorações, utilizando-os como enchimentos, é suscetível de dar uma contribuição válida para a redução dos efeitos citados. A utilização dos rejeitados como enchimentos não pretende evitar na totalidade a deposição à superfície mas antes contribuir para a diminuição substancial dos volumes depositados. (Na quase totalidade dos casos os rejeitados de lavaria necessitam de correção granulométrica). Qualquer área em que se realize uma exploração subterrânea é potencialmente apta para sofrer fenómenos de aluimento. Na realidade, resultando o aluimento da propagação, até à superfície, das consequências da convergência dos contornos das cavidades, os efeitos dessa propagação acabam sempre por manifestar-se, com maior ou menor desfasagem em relação à atividade mineira que lhes deu lugar.

23 UTILIZAÇÃO COMO ELEMENTO DE SUSTENTABILIDADE Diminuição dos custos de produção e aumento da recuperação do jazigo Apesar da necessidade de aplicação intensiva de mão-de-obra especializada, de operações acrescidas de transporte e colocação dos materiais de enchimento, o valor global dos custos operacionais (produção, processamento e ambientais) é menor. Comparativamente com outros métodos de desmonte a sua utilização permite um aumento até 15% do teor médio recuperado e uma redução na diluição até cerca de 40%. Este facto tem como consequência imediata a diminuição dos custos de remoção, de transporte e de processamento de minério, para produzir as mesmas quantidades de concentrado final. A diminuição de volumes de estéreis e de rejeitados depositados à superfície tem também como consequência a diminuição dos custos ambientais (infraestruturas de tratamento/ armazenamento de rejeitados). Outra grande vantagem da utilização do enchimento das cavidades subterrâneas é a possibilidade de recuperação de pilares bem como a mineração de zonas de difícil acesso o que permite uma maior recuperação dos jazigos.

24 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Por comportamento mecânico do enchimento entende-se a sua resposta em termos deformacionais a quaisquer alterações do estado de tensão na câmara entulhada. O material rejeitado pode ser considerado um solo artificial cujo comportamento mecânico pode ser estudado à luz da Mecânica dos Solos. A caracterização geomecânica do material compreende a caracterização física e mecânica do mesmo.

25 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Física A caracterização física do material rejeitado, tal como num solo, é feita com base na determinação do seu peso volúmico, da densidade das partículas, da porosidade, do índice de vazios e da sua granulometria, utilizando as normas para os Solos EN Resultados das determinações de massas volúmicas (seca e saturada), densidade das partículas, porosidade e índice de vazios do rejeitado.

26 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Física No caso em apreço, em que estamos a lidar com rejeitados que resultaram de processos de cominuição e concentração, os calibres são de reduzida dimensão (no caso que se apresenta o material passou todo no crivo 350 µm). Da observação da curva granulométrica pode concluir-se que 85% do material pertence à classe dos siltes, estando os restantes 15% compreendidos na classe das argilas.

27 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Física Triângulo de Feret, permite classificar o material rejeitado como um Silte Os resultados mostram que se trata de um material fino, comprovando que, só com granulometrias baixas, se atingem os calibres de individualização do minério.

28 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Ensaio Edométrico Os ensaios edométricos consistem no carregamento por escalões (24h, período considerado suficiente, para que se possa considerar como concluído o assentamento por consolidação para cada carga) de uma amostra indeformada e saturada, impedida de experimentar deformações horizontais. A execução deste ensaio torna possível o cálculo do coeficiente de consolidação e do grau de consolidação, partindo das leituras da variação da espessura do provete, em intervalos de tempo pré- estabelecidos. É possível determinar com alguma precisão o grau de consolidação, isto é, conhecer a deformabilidade do material ao longo do tempo.

29 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica A variação do índice de vazios ( e) é obtida a partir da variação da espessura ( h) da amostra por meio da equação: e 0 e h 0, respectivamente o índice vazios inicial e a espessura inicial da amostra

30 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Para a determinação do coeficiente de consolidação (C v ), adotou-se o Método de Taylor, que consiste na representação gráfica dos assentamentos com a raiz quadrada do tempo. Este método permite determinar o ponto da curva de consolidação a que corresponde um grau de consolidação de 90%. d corresponde à espessura em consolidação, t 90 é o tempo que o solo demora a atingir os 90% de consolidação e o valor 0.848, corresponde ao fator tempo (T v ) correspondente a um grau de consolidação U z = 90%.

31 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica O grau de consolidação (U z ) calcula-se através da variação do índice de vazios. e i é o índice de vazios inicial e f é o índice de vazios final e é o índice de vazios no instante t.

32 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Os provetes foram sujeitos a incrementos sucessivos de carga normal e ensaiados de acordo com a Norma Britânica (BS 1377: Part5 : 1990): o valor da carga de cada um dos incrementos é mantido constante durante um período de tempo de 24h, nestes intervalos de tempo foram efetuadas medições periódicas dos deslocamentos normais (assentamentos). O intervalo de tempo entre medições de deslocamentos, em cada incremento de carga, é crescente do início da fase para o fim da fase do ensaio, de acordo com os períodos especificados pela 0s, 10s, 20s, 30s, 40s, 50s, 1min, 2min, 4min, 8min, 15min, 30min, 1h, 2h, 4h, 8h, 24h.

33 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica É percetível o grande assentamento da amostra na altura da colocação de um novo peso,até que ao fim das 24h a variação é incipiente, dando mostras que o provete se encontra praticamente consolidado.

34 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica O valor médio do coeficiente de consolidação obtido para o rejeitado em estudo foi de 78,16 m 2 /ano. Calcularam-se os valores médios de U z para os diferentes grupos de ensaios para as 52h (correspondente à terceira carga), e 76h (correspondente à carga final). Para o caso estudado verificou-se que 98-99% do assentamento se observava às 76h.

35 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Ensaio de Resistência ao Corte Optou-se pelo ensaio de corte direto, uma vez que a grande dispersão de valores de resistência ao corte encontrados na bibliografia da especialidade desaconselhava a seleção de uma bateria de ensaios muito complexa. Neste ensaio, para além das forças tangenciais, medem-se os deslocamentos tangenciais (t) e normais (h), através de defléctometros.

36 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Os resultados obtidos mostram um material muito deformável, de um modo geral, até ser atingida a rotura por corte, o solo regista deslocamentos tangenciais da ordem dos 3 a 4mm, não evidenciando assim uma rotura brusca. Nos provetes sujeitos à carga de 600 kPa, este comportamento não foi tão evidente, chegando a precisar de deslocamentos tangenciais de 7mm para garantir que a rotura fosse atingida.

37 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Os resultados indicam que o rejeitado é um material pouco coesivo e com elevado atrito entre as partículas.

38 PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS DOS ENCHIMENTOS Caracterização Mecânica Existe uma enorme variabilidade nos valores da coesão e do ângulo de atrito, indiciando comportamentos mecânicos muito distintos conforme a proveniência do material.

39 CONSIDERAÇÕESFINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS No método de desmonte por corte e enchimento a duração do ciclo de trabalho determina o momento da colocação do material de enchimento. Este condicionalismo operacional deve atender aos mecanismos geomecânicos decorrentes da abertura de escavações mineiras. A este propósito realça-se a necessidade de consumir de forma útil o incremento de energia elástica de deformação resultante da criação de vazios ou do alargamento destes. Este excesso de energia é consumido em parte na deformação do maciço mas pode ser sobretudo gasto na deformação do enchimento que precisa de se deformar para desenvolver um ação resistente e assim desempenhar a sua função de suporte passivo.

40 CONSIDERAÇÕESFINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS A granulometria está dependente do processo de concentração do minério que é condicionado pelo teor de corte; como as características de deformabilidade e de resistência dependem da granulometria, criam-se assim, singularidades para cada caso de estudo que não permitem comparações entre parâmetros de deformabilidade ou resistência, mesmo para materiais rejeitados do mesmo minério. Urge assim implementar uma bateria de ensaios expeditos e económicos que, para cada situação, permitam simular as condições de carregamento in situ.

41 CONSIDERAÇÕESFINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS Destacam-se o ensaio edométrico que permite estudar a deformabilidade dos rejeitados ao longo do tempo, quando complementado com o ensaio de corte, é fácil determinar o comportamento resistente em função do grau de consolidação. São ensaios comuns com procedimentos bem definidos com um longo historial de aplicações bem sucedidas para os solos naturais e que se têm mostrado, nos casos estudados laboratorialmente, como adequados ao estudo dos rejeitados.

42 5ª Jornada Ibero-americana da Rede Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade Geotecnia Subterrânea 13 a 16 de Junho de 2012 Ouro Preto Brasil Rede Ibero-americana Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade MASyS, Argentina, Bolívia, Brasil, Chile, Cuba, Equador, Espanha, México, Peru, Portugal e Venezuela OBRIGADO!


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