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

O método de câmaras e pilares (room and pillar): 3/30/2017 O método de câmaras e pilares (room and pillar):  

Importância prática do método câmaras e pilares: 3/30/2017 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.  

Aplicações diferenciadas do método C&P: 3/30/2017 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

Condições do depósito para aplicação do C&P em rochas duras: 3/30/2017 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 < 30o com a horizontal; -teor do minério: baixo a moderado; -uniformidade: variável; -profundidade do depósito: rasa a moderada.

C&P em rochas friáveis: 3/30/2017 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 < 15o com a horizontal; -boa uniformidade de teores e espessuras de minério; -profundidade do depósito: em carvão, preferencialmente inferior a 600 metros.

Características do método C&P em aplicações não-carvão: 3/30/2017 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.

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

Características ... (cont): 3/30/2017 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.

C&P clássico (mecanização completa): 3/30/2017 C&P clássico (mecanização completa):  

C&P clássico (mecanização parcial): 3/30/2017 C&P clássico (mecanização parcial):  

Características ... (cont): 3/30/2017 Características ... (cont): Step mining É uma adaptação para o caso onde o mergulho do corpo de minério é grande demais (15o a 30o) 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.

3/30/2017 Step mining  

Características ... (cont): 3/30/2017 Características ... (cont): Post-pillar mining Aplica-se a depósitos inclinados, com mergulho entre 20o e 55o. 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.

3/30/2017 Post-pillar mining  

Comparar carvão e ñ-carvão nos USA! 3/30/2017   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!

3/30/2017   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.

Equipamentos no C&P hard-rock: 3/30/2017   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.

Configuração do C&P em rocha dura ... (Mina Nova - AngloGold-GO/BRA, ouro) 3/30/2017

Configuração do método C&P no carvão: 3/30/2017 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;

3/30/2017 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.

Configuração ... (cont.) Eixo principal Painel de lavra 3/30/2017 Configuração ... (cont.) Eixo principal Painel de lavra Galerias de retorno de ar contaminado

3/30/2017 Vista geral de mina de carvão empregando C&P (Mina Fontanella, Treviso-SC) Eixo em desenvolvimento Plano inclinado de acesso principal Painel de lavra (projeto) Poço de ventilação (exaustão)

Principais parâmetros de projeto de C&P no carvão: 3/30/2017 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

a)dimensões das galerias: 3/30/2017 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.

3/30/2017 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.

b)dimensões dos pilares: 3/30/2017 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. 59.1 a 59.3.

-parcela da reserva minerada em relação à reserva total. 3/30/2017   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...  

1) área do pilar Ap = 142 área total At = 202 3/30/2017   1) área do pilar Ap = 142 área total At = 202 Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 51% 2) Ap = 112 At = 172 Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 58%

3/30/2017   Comparativo de recuperações de lavra em painel com pilares quadrados e galerias de 6m de largura:

c)lavra com ou sem recuperação de pilares: 3/30/2017 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).

Estratégias de recuperação de pilares: 3/30/2017 Estratégias de recuperação de pilares:

Estratégias de recuperação de pilares: 3/30/2017 Estratégias de recuperação de pilares:

Equipamentos para auxílio na recuperação de pilares: 3/30/2017 Equipamentos para auxílio na recuperação de pilares:

Exemplo de painel de lavra: Mina Leão (CRM-Rio Grande do Sul) 3/30/2017 Exemplo de painel de lavra: Mina Leão (CRM-Rio Grande do Sul)

Lavra com recuperação de pilares: 3/30/2017  Lavra com recuperação de pilares:  

3/30/2017 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.

-mapa de espessura de camada; -mapa de profundidade da camada; 3/30/2017 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,...).

Vantagens do método C&P: 3/30/2017 Vantagens do método C&P:   • Moderada a alta produtividade (m3/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

• Método seletivo, permite deixar material estéril no local. 3/30/2017 • 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.  

3/30/2017 • 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.

3/30/2017 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.

• Requer bom suporte técnico e de engenharia. 3/30/2017   • 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.

Equipamentos usados na lavra no método câmaras e pilares para carvão: 3/30/2017  Equipamentos usados na lavra no método câmaras e pilares para carvão:   Conjuntos mecanizados convencionais; Conjuntos mecanizados com LHD’s; Continuous miners; Calhas de arraste + carregadeiras Bob-cat.

Equipamentos do conjunto mecanizado convencional: 3/30/2017 Equipamentos do conjunto mecanizado convencional:  

3/30/2017 Exemplo de conj. mecanizado convencional usado na Carbonífera Metropolitana S.A. (SC-BRA)

Equipamentos operando com continuous miner: 3/30/2017 Equipamentos operando com continuous miner:   Shuttle-car  Roof bolter

Configuração de painéis: Continuous miner. 3/30/2017 Configuração de painéis: Continuous miner.

3/30/2017 Painéis Drill & blast

Considerações sobre aplicabilidade do método C&P no carvão 3/30/2017 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;

Características estruturais... 3/30/2017 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, ...)

Características estruturais... -mergulho da camada mineralizada 3/30/2017 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 LHD’s); equip. sobre esteiras funcionam até +/- 25%;

Características estruturais... -espessura de overburden: 3/30/2017 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.

Características do piso e teto... 3/30/2017 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.

Características do piso e teto... 3/30/2017 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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ANEXO A: Parafusos de teto 3/30/2017 ANEXO A: Parafusos de teto

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.

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 

Tipos de parafusos: 1. ancoragem pontual 2. ancoragem repartida 3. parafusos à fricção 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. Parafusos à coquilha de expansão

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

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).

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

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 Esquema de colocação 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 .

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

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:

ANEXO B: Dimensionamento de pilares em mina de carvão 3/30/2017 ANEXO B: Dimensionamento de pilares em mina de carvão

3/30/2017 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.

Passos para dimensionamento de pilares em carvão: 3/30/2017 Passos para dimensionamento de pilares em carvão: a)Determinar σc (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 103 N/m2 b)Determinar k = σc D½ , onde k é a constante que relaciona a resistência à compressão uniaxial de pequenas amostras com σ1, a resistência à compressão uniaxial de volumes de rocha de dimensões comparáveis aos pilares in-situ. O parâmetro σ1 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.

c)Definir a equação de resistência σp dos pilares de mina. 3/30/2017 c)Definir a equação de resistência σp 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):

d)Definir a largura da galeria B. 3/30/2017 Obs.: se o pilar não for quadrado, fazer w = we na fórmula de σp, onde we = 4 Ap / C. Ap = 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.

Sp = γ H [ (w+B)/w ] [ (L+B)/w ], 3/30/2017 e)Determinar a carga Sp sobre o pilar, para uma espessura H de cobertura na área do depósito. Sp = 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 σp / F = Sp 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.

Rec = 1- [ w/(w+B) ] [ L/(L+B) ] . 3/30/2017 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 = σp / Sp ). 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).

Usar a fórmula de Bieniawski para cálculo da resistência dos pilares. 3/30/2017 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 σc = 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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