PRINCÍPIOS E COMPORTAMENTO DO ENCHIMENTO EM REALCES VERTICALIZADOS

Apresentação em tema: "PRINCÍPIOS E COMPORTAMENTO DO ENCHIMENTO EM REALCES VERTICALIZADOS"— Transcrição da apresentação:

1 PRINCÍPIOS E COMPORTAMENTO DO ENCHIMENTO EM REALCES VERTICALIZADOS
Rede Ibero-americana “Meio Ambiente Subterrâneo e Sustentabilidade” MASyS, Argentina, Bolívia, Brasil, Chile, Cuba, Equador, Espanha, México, Perú, Portugal y Venezuela PRINCÍPIOS E COMPORTAMENTO DO ENCHIMENTO EM REALCES VERTICALIZADOS FELIPE DE BRITO PEREIRA Engenheiro de Minas - Geotécnico, AngloGold Ashanti – Mina Cuiabá. Dr. RODRIGO PELUCI DE FIGUEIREDO Professor Associado, Depto. De Eng. De Minas – Universidade Federal de Ouro Preto.

2 Objetivo O presente trabalho visa:
Estudar as características dos diversos tipos de enchimento utilizados em minas subterrâneas, por meio de uma revisão bibliográfica do assunto. Estudar diversos modelos analíticos para o comportamento do enchimento hidráulico. Elaboração de modelo numérico para comparação com modelos analíticos. Verificar a eficiência do enchimento em escavações subterrâneas e a interação com a rocha encaixante.

3 Introdução Falar sobre a importancia da mina subterranea Concomitante com a ascensão da mineração, a especialidade de geotecnia vem abrindo horizontes pelo fato de estar estritamente relacionada com a qualidade, segurança e operacionalização das atividades de uma mina Junto com a ascenção se faz necessário melhor entendimento de ferramentas e principios utilizados nas operações Produção Mineral de minas à ceu aberto (verde) e subterrâneas (vermelho). (Atlas Copco, 2008)

4 Revisão Bibliográfica

5 Lavra de Mina Subterrânea
Suporte por Pilares Naturais Subdivisão dos métodos de lavra subterrânea com associações as resposta do maciço rochoso. (Adaptado de Brady & Brown, 2004)

6 Lavra por corte e aterro
Estimasse que 3% da produção mineral proveniente de mineração subterrânea deriva se do método de corte e enchimento (Hartman, 2002). Segundo Lucas & Haycocks (1973) apud Hartman (2002), este método é um dos mais passiveis a alterações, onde já haviam sido detectadas mais de oito variedades. Trataremos um variante dita tradicional ascendente Enchimento ciclico, diferentemento do sublevel onde o enchimento é posterior e total Ciclo operacional padrão do método do corte e aterro ascendente

7 Lavra por corte e aterro
Visão esquemática de um realce de corte e aterro, ilustrando a situação onde se faz necessário o desenvolvimento de uma chaminé central (Brady & Brown, 2004). Exemplo de barreiras

8 Princípais materiais de enchimento:
Rejeitos da planta processamento mineral, muitas vezes utilizado com adicional de cimento; Rejeito da planta de processamento, porém ciclonado para eliminação de finos; Areia natural; Agregados de mineração, estéreis provenientes do desenvolvimento mineiro; Agentes ligantes de vários gêneros Suportes Naturais Artificiais Ativos Passivos Na atividade mineral se faz necessário à utilização de suportes que visem controlar movimentações do maciço rochoso para evitar passíveis problemas ambientais, garantir e/ou aumentar a produtividade e segurança operacional objetivo de oferecer maior confinamento à capa e lapa ou pilares, proporcionar plataforma de trabalho para as etapas sucessivas da lavra, prevenir eventos de subsidência e melhor eficiência no circuito de ventilação da mina como um todo a integridade estrutural das operações subterrâneas Nos últimos anos o custo da disposição de material estéril através de pilhas de rejeito ou barragens de rejeito sofreu aumento significativo quanto aos custos e responsabilidades ambientais necessárias A avaliação de qual se utilizar esta correlacionada ao método de lavra utilizado, sequenciamento da lavra e também ao custo demandado para implantação e manutenção deste ao longo do tempo de vida da mina. Não menos importante, para a escolha do enchimento o fator disponibilidade de material nas proximidades da mina podem alterar significativamente o custo envolvido para tal processo

9 Enchimento hidráulico
Rejeito da planta (ciclonado); % sólidos (massa) = (50 – 70) %; Fluxo turbulento ao longo dos dutos; Propriedades mecânicas semelhante ao solo. é constituído pelo rejeito da planta de beneficiamento mineral,passando apenas por uma etapa de ciclonagem para remoção dos finos. A porcentagem de sólidos em massa pode variar entre 50% e 70 %; logo se faz necessário um retorno significativo de água para a superfície ou para os tanques de armazenamento, por isso se faz interessante o aumento da porcentagem de sólidos para assim reduzir os custos necessários para o transporte da água. Esta porcentagem de sólidos irá promover um fluxo turbulento nos tubos de condução deste material (Potvin et al, 2005). Este enchimento é disposto em realces que não possuíram faces expostas nas posteriores fases de lavra O ângulo de atrito do enchimento hidráulico depende do formato das partículas que compõem o mesmo e do adensamento proporcionado a este. O mesmo pode ser comparado ao solo quanto à coesão, por ser praticamente nula

10 Paste Fill Rejeito da planta, raramente ciclonado
% sólidos = (75 -88)% Matriz não permeável Fluxo laminar nos dutos ao contrário do hidráulico, não será permeável devido ao fato de que os agente ligantes absorvem parte desta água e o restante fica preso na matriz do mesmo. O conteúdo de água deve ser tal que forme uma massa viscosa, garantindo assim um fluxo laminar durante o transporte deste pelos dutos (Potvin,Y. et al, 2005) na qual o cimento apresenta uma fração superior a 75%

11 Outras variedades Rock Fill Cemented Rock Fill (CRF) Concrete Fill
Ice Fill Noruega e na Rússia em regiões de frio intenso

12 Enchimento Propriedades Mecânicas Resistência ao Cisalhamento
Parâmetros de resistência típica para o enchimento hidráulico cimentado em diferentes proporções (Thomas el al., 1979) A resistência ao cisalhamento é a propriedade mais importante para enchimentos cimentados. Materiais granulares podem desenvolver resistência ao cisalhamento a partir de dois mecanismos, chamados de: resistência ao cisalhamento e resistência ao deslizamento intergranular Permeabilidade A utilização de enchimento não cimentado se dá naquelas situações em que o mesmo não será exposto, tendo em vista a sua baixa resistência ao cisalhamento. Os materiais granulares podem desenvolver resistência ao cisalhamento a partir de dois mecanismos, quais sejam: coesão e atrito. A coesão é independente das tensões atuantes perpendicularmente ao plano de cisalhamento. Já a resistência por atrito é diretamente proporcional ás tensões normais ao plano, crescendo com as mesmas, e inexiste quando essas tensões são nulas ou de tração. Há duas componentes que contribuem para o atrito total. A primeira é função exclusivamente da natureza mineralógica das partículas, sendo uma propriedade das interfaces inter-granulares do material. A segunda depende do entrosamento das partículas e varia com a compacidade do material. Enchimentos mais compactos têm maior entrosamento das partículas e possuem maior resistência que aqueles mal compactados. A Figura 11 ilustra os dois mecanismos. À esquerda, um material sem coesão tem sua resistência por atrito no plano de cisalhamento dada pelas propriedades características das interfaces inter-granulares e pelo entrosamento das partículas. À direita tem-se um material com coesão no plano de cisalhamento, devido à adição de agentes ligantes como o cimento. Resistência ao Cisalhamento

13 Proposta de estudo

14 Modelos Analíticos Modelo de Marston (1930)
Coeficiente de empuxo ativo; Nas formulações considera se o ângulo de atrito interno e o ângulo atrito entre enchimento e rocha encaixante. Modelo de Terzaghi (1943) Coeficiente de empuxo de Terzaghi; Ângulo de atrito do enchimento = Ângulo atrito entre enchimento e rocha encaixante. Modelo de Marston modificado (Aubertin et al. 2003) Coeficiente de empuxo passivo, residual e ativo;

15 Modelos Analíticos Antes de dizer sobre os medelos adotados!! Devemos entender o principio na qqualq estes foram baseados Dentre estas temos: considera que o ângulo de atrito do enchimento é igual ao ângulo de atrito entre parede e enchimento, exceto para o modelo de Marston (1930); considera que a dimensão segundo o strike é muito maior que a potência do mesmo; as duas paredes do maciço, no aspecto bidimensional, são compostos do mesmo material. Os modelos bidimensionais superestimam os resultados dos esforços em virtude da~exclusao do atrito entre duas superficies Ilustração do efeito arco em um realce preenchido com enchimento (Adaptado de Belem, 2008). Representação das forças em uma camada da coluna de enchimento em um realce.(Li, L. et al., 2003)

16 Modelos Analíticos

17 Coeficientes de empuxo
Uma das limitações do método analítico utilizado para prever o coeficiente de correlação é que o mesmo depende exclusivamente das propriedades do enchimento, desconsiderando assim a posição do enchimento no realce e os índices geomecânicos da encaixante O método de lavra de corte e aterro garante que as fatias lavradas sejam bastante inferior à altura global do realce, fato que permite um enchimento rápido a cada avanço. Neste caso a convergência da parede comprime o enchimento já disposto no realce (Knutsson, 1981, Hustrulid et al.,1989). Esta condição permite uma aproximação à condição onde o coeficiente de correlação é dito passivo pelo coeficiente de empuxo no repouso, 𝐾_0, que é aplicável para materiais perfeitamente elásticos ou situações onde os esforços laterais surgem quando a deformação horizontal é nula, ou seja, sobre a seção de simetria : Em seqüência temos: (esquerda) condição que corresponde ao coeficiente de empuxo ativo; (centro) condição geostática na qual se aplica o coeficiente de empuxo no repouso e (direita) condição correspondente ao coeficiente de empuxo passivo. (Potvin et al., 2005)

18 Modelo Numérico Phase 2, Rocscience
modelagem bidimensional (deformação plana ou axi-simétrica) do comportamento de maciços rochosos, pelo método dos elementos finitos (diferencial): dividem o mesmo em uma malha de elementos ou zonas, considerando que o comportamento do todo dependa da interação das partes (através da interação entre seus vértices, pontos nodais) Representação esquemática de um modelo de elementos finitos (Brady and Brown, 1985).

19 4. Metodologia Verificação do comportamento do enchimento hidráulico em diversas situações através do modelo analítico, compilando os, em gráficos; Estudo por modelagem numérica das situações tratadas analíticamente; Análise comparativa dos resultados.

20 5. RESULTADOS

21 Resultados Analíticos
Modelo de Marston (1930) Propriedade Representação Peso específico 18 kN/m³ Ângulo de atrito interno 25 graus Coluna de Enchimento 40 m Considerando que o ângulo de atrito entre a superfície de contato (δ) geralmente é assumida entre ϕ/3 e 2 ϕ/3 (Belem, 2008 Pelo Gráfico 1 percebe se que até aproximadamente 20 metros de coluna de enchimento não há significativas alterações na tensão vertical caso alteremos a fricção entre maciço rochoso e enchimento. Assim pode se afirmar que para elevações abaixo desta, nas condições proposta, não há perda de energia vertical para as paredes do contato (menor influência do efeito arco).

22 Resultados Analíticos
Influência da largura do realce Propriedade Representação Peso específico 18 kN/m³ Ângulo de atrito interno 25 graus Coesão do enchimento 0 kPa Altura do realce 40 m Devido ao efeito arco proposto anteriormente, a diferença observada entre os esforços para os modelos de Marston modificado e Terzagui (1943) quando comparados ao decorrente do peso próprio se deve a influência da interação com as paredes do maciço Pelo Gráfico 6, ambientes com largura inferior a aproximadamente 200 metros sofrem significativamente este efeito. À medida que o fator K se eleva notasse que o efeito arco apresenta uma amplitude de influência superior. Como em ambientes de mineração as larguras dos realces são significativamente inferiores a 200 metros podemos afirmar com segurança que nestes o efeito arco é extremamente relevante. Assim é pertinente afirmar que o efeito arco somente poderá ser desprezado em situações onde a largura é expressiva, fato que não se aplica na mineração subterrânea. Marston mod. : Kp ~ ∆ 89% Kr ~ ∆ 72% Ka ~ ∆ 50% Terzaghi (1943): K ~ ∆ 63%

23 Resultados analíticos
O efeito arco se manifesta completamente apartir do momento em que a coluna de enchimento for superior ou igual à largura do realce em estudo (Potvin et al., 2003). Propriedade Representação Peso específico 18 kN /m³ Ângulo de atrito interno 25 graus Coesão do enchimento 0 kPa modelo de Marston modificado com um coeficiente de correlação passivo.

24 Resultados Analíticos
Influência da altura da coluna de enchimento Em todos, nota-se que a partir de uma determinada elevação as tensões verticais na base do realce não se alteram com o continua disposição de enchimento sobrejacente. Este pode ser explicado como resultado do efeito arco, na qual a partir deste patamar todas as tensões verticais são direcionadas para a parede do realce Observando que o único modelo que apresenta este comportamento é o modelo de Marston modificado para K ativo É de grande importância ressaltar que os valores das tensões proporcionados pelo enchimento, segundo as simulações realizadas, são relativamente baixos, quando comparados com as tensões atuantes a uma profundidade intermediária na crosta terrestre. Sendo assim, fortalecendo a ideia de que o enchimento é um suporte passivo e que tem como principal funcionalidade a contribuição de restrição cinemática e controle da propagação das rupturas ao longo do maciço rochoso

25 Resultados Analíticos
Influência dos parâmetros do enchimento Situações com baixo ângulo de atrito entre as superfícies resultam em elevadas tensões (efeito arco inferior) e elevados valores do parâmetro promovem baixos esforços (maior efeito arco). (Li et al., 2004) Ang. de atrito mesmo que parâmetros distintos resultem em valores iguais de fator E, o comportamento das tensões em decorrência do enchimento hidráulico será distinto para cada situação, mostrando assim a relevância que estes apresentam para o desenvolvimento de um projeto À medida que aumentamos a coesão do material e o ângulo de atrito é de se imaginar que o material de enchimento adquira cada vez mais propriedades rúpteis Demonstrando assim a importância de que, para garantir maior confinamento o material de enchimento deve romper para assim promover melhor distribuição de esforços que o mesmo pode oferecer. Coesão

26 Resultados Numéricos Ressaltar a criaçao de juntas no contato para simular a fricção entre materiis! Criterio de ruptura de Morh Coulomb para ficar semelhante aos analíticos

27 Resultados Numéricos Encaixante Minério Enchimento Resistência à compressão uniaxial (Mpa) 65 167 0,3 Peso específico (MN/m³) 0,028 0,031 0,018 Módulo de deformação (GPa) 20 50 0,5 Poisson 0,2 0,3123  Parâmetros de Hoek & Brown mb 2,876 14,686 0,0067 s 0,1084 0,000026 Propriedades fruto da revisão bibliografica de litologias tipicas da região de sabará – MG. Parâmetros utilizados para modelagem numérica. (Barbosa, E. S., 2008)

28 Resultados Numéricos Para melhor visualização da deformação da encaixante segue a Figura 24, que representa a deformação horizontal absoluta após cinco avanços de lavra do método corte e aterro (deformação equivalente a 8 mm em ambos os lados) e a Figura 25, representando a deformação horizontal absoluta após todas as etapas de lavra proposta para o modelo (deformação superior a 10 mm em ambos lados). Para provar a possível influencia da encaixante for a feita uma simulaçao identica onde se alteriou apenas as propriedade da encaixate p[ara uma rocha intacta

29 Propriedades Elásticas Parâmetros de resistência (Hoek - Brown)
Resultados Numéricos Influência da deformação da rocha encaixante na distribuição de esforços ao longo da coluna de enchimento. Encaixante A Encaixante B Propriedades Elásticas Condição elástica Isotrópico Young 20 Gpa 54 Gpa Poisson 0.23 Parâmetros de resistência (Hoek - Brown) RCU da rocha intacta 65 Mpa 260 MPa mb (pico) 2.876 18 s (pico) 0.0117 1 O Gráfico 16 mostra claramente a superestimava dos valores de tensões tanto verticais quanto horizontais no enchimento quando simulamos um maciço rochoso com características mais dúcteis, ou seja, susceptível a deformação mais expressivas. Do modelo realizado constatou se uma redução de deformação total no ultimo estágio de lavra de aproximadamente 48%, que consequentemente implicou em reduções máxima de tensões verticais e horizontais de 47% e 49%, respectivamente. A redução desta margem de influência se faz bastante pertinente quando desejamos maior coerência entre os modelos analíticos e os numéricos, possibilitando uma análise comparativa mais consistente quanto ao comportamento exclusivo do material de enchimento

30 Deformação total (último estágio de lavra)
Resultados Numéricos Influência do enchimento na deformação total Situação Com enchimento Sem enchimento Deformação total (último estágio de lavra) 0, m 0, m Simulou se duas situações de lavra semelhantes, diferenciando as pela utilização do enchimento.

31 Resultados Numéricos Influência do material de enchimento no Fator de Segurança ao longo da rocha encaixante Para visualização do FS da mesma situação anterior, porém considerando pontos a dois metros da face da escavação na extremidade direita e ao longo de toda sua elevação, podemos mostrar o Gráfico 15. Desta observamos que ambas as situações estão acima do equilíbrio limite, o que não vale concluir que o enchimento seria desnecessário. Devemos adotar margem de segurança quanto ao fator de segurança, para evitarmos que a desarticulação de um realce afete outras partes da estrutura da mina e para promovermos maior segurança dos funcionários. Logo, considerando um FS operacional de 1.3, observa se que o realce com enchimento tende a atender a exigência enquanto o sem enchimento não estaria de acordo.

32 Correspondência dos Resultados analíticos e numéricos

33 Correspondência dos Resultados analíticos e numéricos
Distribuição dos esforços ao longo da largura do realce. Modelo de Marston é que tanto as tensões horizontais quanto as verticais são uniformemente distribuídas ao longo de toda a largura do realce Resultados propostos por Aubertin et. al (2003) mostram que a consideração inicial é válida para as tensões horizontais e não para as verticais

34 Correspondência dos Resultados analíticos e numéricos
Variação do coeficiente de empuxo K para diferentes coordenadas ao longo da largura do realce. Pelos resultados ilustrados até então é perceptível que os esforços horizontais, internamente ao enchimento, são superiores aos verticais, devido principalmente às deformações proporcionadas pela encaixante Na região central do realce percebemos uma tendência a um comportamento residual enquanto nas extremidades do realce um comportamento mais passivo do enchimento. O comportamento passivo próximo à região de contato com a encaixante pode ser explicado em virtude da mobilização de reação do enchimento em decorrência da deformação da encaixante.

35 Conclusões Grande variedade de materiais de enchimento;
Aplicação de modelos analíticos para análise preliminar de projetos; Resultados analíticos sub estimado em relação resultados computacionais; Coeficiente de empuxo próximo a um, para coordenadas centrais na largura do realce. (a) restrição cinemática para blocos periféricos; (b) forças resistentes mobilizadas localmente em rochas fraturadas (empuxo ativo); (c) suporte global devido à compressão do enchimento (empuxo passivo) em decorrência da convergência das paredes (Brady & Brown, 2004).

36 Referências Aubertin, M., Li, L., Arnoldi, S., Belem, T., Bussière, B., Benzaazoua, M., Simon, R. (2003). Interection between backfill and rock mass in narrow stopes. In P.J. Culligan, H.H. Einstein, A.J. Whittle (eds), Soil and Rock America 2003, vol. 1, pp Brady, B. H. e Brown, E. T. (2004). Rock Mechanics for underground mining. 2a Edição. Londres: Allen and Unwin. Li, L., Aubertin, M., Simon, R., Bussièrre, B., Belem, T. (2003) Modelling arching effects in narrow backfilled stopes with Flac. Balkema, Rotterdam. Li Li, Aubertin, T., Belem, T., Simon, R., James, M., Bussière, B. (2004). A 3D analytical solution for evaluating earth pressures in vertical backfilled stopes. 57th Canadian Geotechical Conference. Géo Québec. Potvin, Y., Thomas, E. G., Fourie, A. B.( 2005). Handbook on Mine Fill, ACG Australian Center for Geomechanics, CSIRO, Curti University, University of WA Joint Venture,.

37 OBRIGADO Contato: felipedbp@hotmail.com
Realce Corte e Aterro Mina Cuiabá – AngloGold Ashanti