ELABORAÇÃO DE CARTAS GEOTÉCNICAS PARA OPERACIONALIZAÇÃO DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS ESTUDO DE CASO MINA DE CARVÃO DE EL HATILLO - COLÔMBIA

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1 ELABORAÇÃO DE CARTAS GEOTÉCNICAS PARA OPERACIONALIZAÇÃO DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS ESTUDO DE CASO MINA DE CARVÃO DE EL HATILLO - COLÔMBIA

2 Autores: Cristiano Souza - GALCF Felipe Uribe - SUGEC Marisa Rangel - GALCF Luciano Pohl - GEPDS

3 Agenda i. Objetivo, premissas e dificuldades; ii. Aspectos geográficos; iii. Geologia Corredor de El Hatillo; iv. : - Programa de investigação geotécnica; - Programa de ensaios laboratoriais; - Modelo geomecânico, parametrização e modelos de cálculo; - Resultados : Cartas geotécnicas, setorização e seções típicas. v. Operacionalização da cava; vi. Considerações finais.

4 Objetivos, premissas e dificuldades Objetivo: - Elaborar cartas geotécnicas para o dimensionamento da cava; - Viabilizar a operacionalização e o sequenciamento da cava. Premissas e dificuldades: - Respeitar não apenas o ângulo global dos Taludes anteriormente definido para a geração da cava matemática, mas também o detalhamento geométrico da mesma, banco a banco;

5 Objetivos, premissas e dificuldades Premissas e dificuldades: - O ângulo de face do banco deve ser paralelo ao acamamento, evitando cortar os mantos de carvão ou o plano dominante de estratigrafia; - A calibração do modelo de cálculo para o dimensionamento dos bancos deu-se a partir da observação de campo e por retroanálises de eventos instáveis; - O desenvolvimento longitudinal de um determinado banco deve sempre que possível acompanhar a direção das camadas (i.e. strike), evitando desta forma, alternar ou cruzar a estratigrafia ao longo da escavação deste talude. Caso não seja possível, mudanças ortogonais devem ser projetadas.

6 Aspectos geográficos - A Mina de Carvão de El Hatillo foi adquirida pela VALE em 2009, antes de propriedade da Empresa Mineradora ARGOS; - O limite de concessão é de hectares. - Localiza-se à km a nordeste de Bogotá, capital da Colômbia, dentro do departamento de Cesar, jurisdição do município de El Passo, pertencente à cidade de La Loma.

7 Geologia regional: Geologia Corredor El Hatillo - Três grandes estruturas de dobramentos regionais podem ser identificadas, sendo os Sinclinais Del Descanso, La Loma e El Boquerón, estando estas, separadas por falhas reversas de direção NE-SW; - Estas grandes dobras se caracterizam como as estruturas de interesse, sendo o sinclinal de La Loma a dobra que se situa dentro dos limites da área de estudo; - O topo deste sinclinal é que é considerado o ponto de interesse para a exploração de carvão.

8 Geologia regional: Geologia Corredor El Hatillo Corredor El Hatillo

9 Modelo estratigráfico: Geologia Corredor El Hatillo O modelo estratigráfico pode simplificadamente ser separado em duas Formações Geológicas (Formação Cuesta e Formação Cuervos). A Formação Cuesta formada por solos sedimentares localiza-se sobre a Formação Cuervos que engloba os mantos de carvão e as intercalações de Arenitos, Siltitos e Argilitos. A campanha de prospecção da VALE identificou 69 mantos de carvão em toda a propriedade, e deu-lhes nomes numéricos que variam de 80 (no ponto mais baixo) a 310 (no ponto mais alto). Destes 69 mantos, 19 são considerados pela VALE como economicamente explorável, por questões de qualidade e geometria (> 0,5m de espessura).

10 Modelo estratigráfico: Geologia Corredor El Hatillo Nomenclatura adotada para definição geométrica: - Footwall - Talude de Lapa; - Highwall - Talude de Capa; - Endwall - Talude de fechamento.

11 Programa de investigação geotécnica: - A definição da escala do mapeamento foi definida com base na litologia mais evidente e a partir da adoção de determinados critérios estruturais; - O número e a extensão das janelas de mapeamento relacionam-se diretamente com o grau de heterogeneidade e estruturação do maciço rochoso e com o grau de precisão; - Em respeito à estas premissas foram definidas 221 janelas de mapeamento com dimensões de 20x16m, distribuídas no Talude de Capa, Talude de Fechamento e no Talude de Abertura do Pit, com um levantamento global de estruturas; - A estrutura do maciço rochoso que define as intercalações ( interburden ) consiste em acamamentos cruzados compostos massivamente por arenitos sobrepostos por finas camadas de siltitos e argilitos medianamente alterados.

12 Classificação geomecânica do maciço rochoso: Para classificação do maciço rochoso adotou-se o RMR (Bieniawski, 1989) e o GSI (Hoek & Brown, 1997) para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso. Correlação entre o levantamento de campo e o RMR 89 Parameter Weight Description considered Rock Mass Rating System (After Bieniawski 1989) Rating Spacing Persistence Aperture 1 < 20 mm < 60 mm mm mm mm mm mm mm m 15 1 < 1m < 1m m 1-3 m m 3-10 m m m 1 5 > 20 m > 20 m 0 1 < 1 mm mm mm 1-5 mm mm mm HISTOGRAMAS > 5 mm 0

13 Relative Frequency (%) Geotecnia El Hatillo Classificação geomecânica do maciço rochoso: Histogramas das propriedades geomecânicas do maciço rochoso empregues na determinação do RMR. 35 RQD - EHCM Acamamentos RQD intervals Descontinuidades

14 Programa de ensaios laboratoriais: Material Domínio UCS med. (MPa) Categoria de resistência Arenitos Intercalações 28.9 Médio Siltitos ( interburden ) 17.2 Médio Argilitos - 32 ensaios Fraco Mantos de carvão* Carvão 8.0 Muito Fraco Material Arenitos Siltitos Argilitos Domínio Intercalações - 32 ensaios - g med. (kn/m 3 ) Mantos de carvão* Carvão 13.0 * Estimado

15 Validação dos resultados: Estimativa dos valores de cálculo Resistência rocha intacta : UCS (s ci ) Elevada dispersão dos resultados Definição de um intervalo de interesse Cálculo do UCS com base no valor médio do peso específico

16 Validação dos resultados: Mínimo Máximo Domínio (MPa) (MPa) Valores obtidos e empregues UCS Calc. UCS pond. (MPa) (MPa) Arenitos Siltitos Argilitos Carvão 8.0 Resistência das descontinuidades: A resistência exibida pelos materiais e contatos segundo a direção dos acamamentos foi caracterizada de acordo com o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, dado pelos seguintes parâmetros e valores c = 0 kpa e f = 20º. Estes valores foram obtidos através de ensaios de cisalhamento direto executados segundo a direção dos planos de estratigrafia.

17 Modelo geomecânico : RMR 89 e GSI O maciço da mina de El Hatillo por ser um maciço de maior heterogeneidade estratigráfica, exigiu uma abordagem inicial setorizada para sua classificação geomecânica. Após uma avaliação dos resultados, decidiu-se pela homogeneização dos mesmos, em função da frequência regular de ocorrência dos litotipos existentes. Em função da complexa formação geológica e estrutural destes tipos de maciços, a definição de um modelo geomecânico consistente não é uma tarefa fácil, quando comparados à maciços menos brandos e mais homogêneos.

18 Parametrização: Para o dimensionamento dos Taludes da Cava de Carvão de El Hatillo, foram adotadas as seguintes etapas de estudo, após a caracterização geológico-geomecânica da área da cava: i. Definição de setores; ii. Definição dos mecanismos de instabilidade críticos (nas escalas de bancada, interrampa e global); iii. Definição dos parâmetros geotécnicos de resistência dos maciços, materiais e estruturas (acamamentos e descontinuidades); iv. Definição dos métodos de análise para os mecanismos definidos; v. Definição dos modelos de cálculos para os mecanismos e setores pré-estabelecidos; vi. Compatibilizar os resultados das escalas de bancada, inter-rampa e global.

19 Parametrização: Para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso quando solicitado, recorreu-se à dois critérios de ruptura Critério de Hoek & Brown (HB) e Critério de Mohr- Coulomb (MC), para caracterização da resistência. Parâmetros de resistência segundo o critério de HB

20 Parametrização: Parâmetros de resistência segundo o critério de MC As técnicas de observação do desempenho de taludes existentes e retroanálises foram aplicáveis para ajudar na definição dos mecanismos, bem como para validar os parâmetros e os modelos de análises.

21 Modelos de cálculo: - Para além do modelo geomecânico, outra etapa que requereu também um elevado grau de refinamento técnico foi a elaboração dos modelos geotécnicos de cálculo com vistas à definição da geometria dos taludes da cava à escala de bancada, inter-rampa e global; - A metodologia utilizada foi a baseada na Teoria de Equilíbrio Limite, a partir da utilização do programa de cálculo Slide, versão 5.0, da Rocscience; - Foi adotado o Método de Morgensten-Price para a análise das superfícies de escorregamento. Este modelo considera na definição do seu diagrama de esforços, a força normal e tangencial e a resistência interfatias dada por uma função não-linear definida pela tensão normal e pela resistência ao corte; - Os modelos foram elaborados conforme o Talude e a escala consideradas.

22 Modelos de cálculo: - Para o Talude de Lapa, os modelos em todos as escalas foram simulados a partir da adoção de um modelo anisotrópico que considera a resistência do maciço rochoso na direção oblíqua ao acamamento e a resistência das descontinuidades na direção paralela; - Para a resistência oblíqua adotou-se os parâmetros segundo o critério de Mohr-Coulomb que melhor se ajustou à envoltória de Hoek & Brown; - Já para a resistência paralela ao acamamento, adotou-se os resultados obtidos a partir dos ensaios de cisalhamento direto, anteriormente apresentados; - O dimensionamento do Talude de Capa, considerou também a estruturação do maciço, mesmo o mergulho dos acamamentos sendo inverso ao mergulho do Talude. Desta forma, foi aceitável adotar um modelo de cálculo de resistência homogênea, definida pelas propriedades resistentes do maciço rochoso.

23 Modelos de cálculo: Escala: BANCO Talude de Lapa - Footwall Estes fenômenos de instabilidade na sua maioria traduzem um mecanismo de ruptura do tipo bi-planar, onde se inicia segundo o plano de estratigrafia e rompe obliquamente na base do banco. Desta forma, os modelos de cálculo à escala de Escala: BANCO Escala: GLOBAL bancada foram definidos por forma a possibilitar a ocorrência deste tipo de mecanismo. Muito perturbado Modelo anisotrópico de resistência Medianamente perturbado Escala: GLOBAL

24 Modelos de cálculo: Talude de Capa - Highwall Escala: Escala: INTER-RAMPA BANCO Escala: BANCO Escala: INTER-RAMPA Escala: GLOBAL

25 Depth (m) F.S. F.S. H (m) Depth (m) Geotecnia El Hatillo Resultados: Cartas geotécnicas Dip angle ( ) Dip angle ( ) 1, Section 6 Section 7 Section 8 Section 9 Section 10 Section 11 Section 12 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 Section 6 Section 7 1,10 Section 8 Section 9 Section 10 Section 11 Section ,5 40 2,0 30 1, ,0 0,0 Talude de Lapa - Footwall Dimensionamento global do talude Dimensionamento dos dos bancos 60 3,0 25 Fs = Fs = , Modelo 1 Modelo 2 Ângulo de face ( ) H (m) Modelo 1: H = 20 m Modelo 2: H = 20 m L = 15 / 20 m Primeiros 3 bancos de 20 m Rampas intermédias α f // ao acamamento L = 15 / 20 m α f // ao acamamento Z1 Z2 Z3 Z4 Z5

26 F.S. F.S. F.S. F.S. Geotecnia El Hatillo Resultados: Cartas geotécnicas Talude de Capa - Highwall 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1,4 2,0 1,8 1,2 1,6 1,4 Dimensionamento Dimensionamento dos global bancos do talude inter-rampa - Prof. 300 m 2,0 43 (H = 40; 40 α = 50 ) 1, (H (H = = 40; 30; α = 50 ) 60 ) (H (H = = 30; 40; 50 α = 60 ) 1,6 (1) 51 (H = 30; α = 65 ) 50 (H = 40; 60 ) 1,4 55 (H = 30; α = 70 ) 51 (H = 30; α 60 = 65 ) 1,2 (2) 55 (H = 30; α = 70 ) 1,0 70 1,2 0,8 1.2 (3) 1,0 80 0,6 1,0 Ângulo de face H inter-rampa (m) 0,8 0,8 INTER-RAMPA - GEOMETRIAS RESULTANTES 0,635 Ângulo 36 interrampa ( ) 37 Banco Número de bancos ( ) Altura (m) Ângulo global ( ) H (m) H inter-rampa (m) (1) Inter-rampa 48-60m e bancos 60 intercalados 30 de 15 e 30m (2) Inter-rampa - 60m e bancos intercalados de 10 e 30m (3) Inter-rampa - 90m e bancos intercalados de 10 e 30m

27 Resultados: Setorização geotécnica e seções típicas

28 Operacionalização da cava A operacionalização da cava final de El Hatillo respeitou alguns aspectos adicionais aos normalmente considerados, quais sejam: - Respeitar não apenas o ângulo global dos Taludes anteriormente definido para a geração da cava matemática, mas também o detalhamento geométrico da mesma, banco a banco; - Para o caso em estudo (EHCM), além das premissas geotécnicas de carácter puramente geométrico, foi necessário também, respeitar o modelo estratigráfico exibido pela geologia regional; - Para o estudo de rampas, avaliou-se a posição inicial e final das rampas de acesso da cava, levandose em conta a posição da britagem, massas de minério e estéril presas pelas rampas e o número de switch-backs. O processo de operacionalização originou uma perda de 7% de minério e um acréscimo de 1% de estéril, resultando em uma relação estéril-minério (REM) de aproximadamente 9,5 (m 3 /ton).

29 Considerações finais Relativamente aos estudos paramétricos efetuados com o objetivo de se construir cartas geotécnicas que possam auxiliar a engenharia de curto e longo prazo na condução e operacionalização da mina, respectivamente, algumas conclusões merecem ser destacadas: i. O modelo estratigráfico regional condicionou a elaboração dos modelos de cálculo, bem como os resultados obtidos; ii. O mesmo modelo, influenciou ainda, na geometria global do Talude de Lapa, uma vez que os bancos que o compõem foram projetados com geometrias variáveis; iii. A adoção de modelos anisotrópicos para a simulação do comportamento mecânico do maciço rochoso quando escavado, permitiu obter resultados numéricos bastante compatíveis com o que se tem observado em campo; iv. O Talude de Capa apresentou resultados bastante coerentes com o observado em campo, mesmo adotando um modelo homogêneo isotrópico; v. O presente trabalho, mesmo tendo que atender todas as restrições geológicas, geotécnicas e operacionais que uma mina de carvão apresenta, teve como resultado final um cenário técnicoeconômico dentro do que se previa e pretendia.

30 MUITO OBRIGADO MUITO OBRIGADO