ENGENHARIA GEOTÉCNICA EM PROJETOS DE MINERAÇÃO Sandro S. Sandroni, Geoprojetos

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1 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO ENGENHARIA GEOTÉCNICA EM PROJETOS DE MINERAÇÃO Sandro S. Sandroni, Geoprojetos 1 O QUÊ DIFERENCIA A PRÁTICA GEOTÉCNICA NA ÁREA DE MINERAÇÃO? 2 EXEMPLOS DE CONTRIBUIÇÃO DA ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA A INDÚSTRIA DE MINERAÇÃO: Exemplo 1 - Uso de resíduos de mineração para redução de custo de base rodoviária Exemplo 2 - Uso de geossintéticos para aumentar a vida útil de lastro ferroviário Exemplo 3 Instrumentação geotécnica no monitoramento de obras de mineração - Convivência de uma empilhadeira com um talude instável

2 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 1 O QUÊ DIFERENCIA A PRÁTICA GEOTÉCNICA NA ÁREA DE MINERAÇÃO? Uma diferença marcante entre a área de mineração e as demais áreas em que se pratica a engenharia civil geotécnica são as dimensões. Na área de mineração a céu aberto o tamanho das máquinas e a intensidade das cargas é muito maior do que em outras áreas.

3 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO ALTURA DOS TALUDES CORTES E ATERROS Um corte com 40 ou 50 m de altura é considerado muito alto em qualquer obra civil (estrada, ferrovia, indústria, etc.). Em minas a céu aberto, alturas de 300 ou 400 m são comuns. As minas mais altas terminam com taludes de m ou mais. VOLUME DE CORTE Um volume de corte de m 3 é considerado muito grande para um empreendimento residencial. Em empreendimentos industriais recentes, com movimento de terra considerado extremamente grande (Renest, Comperj, CSA) o volume total de corte foi de 10 a 20 milhões de m 3. Em minas a céu aberto, é comum que o volume de corte anual seja dessa ordem. O volume total escavado de uma mina a céu aberto pode chegar ao bilhão de m 3.

4 Mina Chuquicamata, Chile - Cobre Altura dos taludes ~ m

5 Mina Grasberg Indonésia Cobre Altura dos taludes esperada para 2015 ~ m

6 Mina Udachnaya, Rússia Diamante Altura dos taludes ~ 600 m

7 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 2 KM Minas Dois Córregos - Cauê, Brasil Ferro Altura máxima dos taludes ~ 400 m

8 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 0,5 KM Mina Águas Claras, Brasil Ferro Altura dos taludes ~ 300 m

9 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO TRANSPORTE TERRESTRE CAMINHÕES FORA DE ESTRADA: Cargas de 200 a 300 toneladas são comuns em minas a céu aberto ao passo que, um caminhão com carga de 20 toneladas é considerado pesado em outras obras. FERROVIAS COM CARGAS ELEVADAS: O trem-tipo para ferrovias destinadas a transporte de minério de ferro (TB360 da NBR 7189) é cerca de duas vezes mais pesado do que o trem-tipo (TB170) aplicável a comboios para passageiros.

10 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO OS MAIORES CAMINHÕES E ESCAVADEIRAS DO MUNDO

11 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO OS MAIS LONGOS E MAIS PESADOS TRENS DO MUNDO

12 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO ESTOCAGEM DE MINÉRIO (PÁTIOS) PILHAS COM PESO ELEVADO: Uma pilha de minério de ferro com 18 m de altura exerce pressão da ordem de 50 t/m 2 no centro da base (o que equivale a um edifício com 50 ou mais andares).

13 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 1500 m N PORTO ITAGUAÍ, RJ

14 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 500 m N PÁTIO ILHA GUAÍBA, RJ

15 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO

16 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO VIRADOR DE VAGÕES ESCAVAÇÕES ESCORADAS DE GRANDE PORTE. Escavações com até 25 m de profundidade (ou seja, altura de um prédio de 8 a 10 andares) e com área de varias centenas a alguns milhares de m 2 são necessárias para construção de viradores de vagões.

17 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO VIRADOR DE VAGÕES

18 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO VIRADOR DE VAGÕES

19 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO TRANSPORTE MARÍTIMO As cargas exercidas pelos maiores navios que transportam minério de ferro (ULOC - ultra large ore carriers) estão entre as maiores consideradas em projetos portuários. Por exemplo: carga nos cabeços de amarração da ordem de 200 t ao passo que em portos de carga geral 100 t é considerada uma carga alta. Os calados exigidos (até 23 m) disponíveis apenas em alguns poucos portos.

20 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO VALE BRASIL DWT = t COMPRIMENTO = 365 m LARGURA = 66 m CALADO = 23 m Entrou em operação este ano Maior do mundo Cortesia Engs. Peotta e Kuzolitz

21 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO NAVIOS GRANELEIROS ULOC (CAPE SIZE) x NAVIOS GRANDES DE CARGA GERAL (PANAMAX) [Cortesia Engs. Peotta e Kuzolitz]

22 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO 2 EXEMPLOS DE CONTRIBUIÇÃO DA ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA A INDÚSTRIA DE MINERAÇÃO: Exemplo 1 - Uso de resíduos de mineração para redução de custo de base rodoviária Exemplo 2 - Uso de geossintéticos para aumentar a vida útil de lastro ferroviário Exemplo 3 Instrumentação geotécnica no monitoramento de obras de mineração - Convivência de uma empilhadeira com um talude instável

23 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO EXEMPLO 1 USO DE RESÍDUOS DE MINERAÇÃO EM BASE RODOVIÁRIA Itabira, MG Gomes e Saraiva (2010)

24 ITABIRA, MG (Gomes e Saraiva, 2010) Pesquisa em estrada usada por caminhões de Section minério 1 Section de ferro, 2 Section com 3 6 seções Section 4 de Section ensaio, 5 cada Section 6 uma com 50 m de comprimento, com 20 cm de leito reference argiloso, base 15 cm subbase de cascalho, 18 cm section base and mixture 6 cm de asfalto misturado a quente. SEÇÃO 1 REFERÊNCIA Pavimento Pavement Original Base Usual base Gravel Cascalho Clay Argila SEÇÃO 2 MISTURA NA BASE Base mixture Mistura geotextile on top the base SEÇÃO 3 GEOTEXTIL SOBRE A BASE geogrid on top of the base SEÇÃO 4 GEOGRALHA SOBRE A BASE geotextile on bottom of the base SEÇÃO 5 GEOTEXTIL SOB A BASE Geogrid on bottom of the base SEÇÃO 6 GEOGRALHA SOB A BASE Geotextile Geogrid Geogrelha Geotextile Geogrid Geogrelha

25 DETALHES DAS SEÇÕES Section 1 reference section SEÇÃO 1 REFERÊNCIA Pavimento Pavement Original Base Usual base Gravel Cascalho Clay Argila ITABIRA, MG (Gomes e Saraiva, 2010) base da seção 1: cascalho de mineração CBR=87,9%; Section 2 base mixture SEÇÃO 2 MISTURA NA BASE Base mixture Mistura Section 3 geotextile on top the base SEÇÃO 3 GEOTEXTIL SOBRE A BASE Section 4 geogrid on top of the base SEÇÃO 4 GEOGRALHA SOBRE A BASE Section 5 geotextile on bottom of the base SEÇÃO 5 GEOTEXTIL SOB A BASE Section 6 base das outras 5 seções: mistura de resíduo de mineração com solo local; subbase de todas as seções: cascalho de mineração CBR=45,0 a 67,8%; leito de todas as seções: argila CBR=7%; Geogrid on bottom of the base SEÇÃO 6 GEOGRALHA SOB A BASE Geotextile Geogrid Geogrelha Geotextile Geogrid Geogrelha 25

26 0,12m ITABIRA, MG (Gomes e Saraiva, 2010) Instrumentação com deformímetros paralelos e perpendiculares ao pavimento (ademais: medição de temperatura e umidade). Ensaios de campo com viga de Benkelman em diversos momentos (caminhões 82 kn por eixo com pneus duplos calibrados a 560 kpa). 2,37m 0,47m 0,52m 1,33m 0,20m 0,20m 0,47m DEFORMÍMETROS VERTICAIS 0,10m 0,73m 0,10m 26 3,30m

27 MAXIMA DEFLEXÃO (mm) Maximum deflections (0,01 mm) Pavement ITABIRA, MG (Gomes e Saraiva, 2010) MAXIMA DEFLEXÃO OBTIDA EM ENSAIOS COM VIGA DE BENKELMAN Pavement Base Sub-base Base Sub-base Sub-grade Sub-grade m 50 m 100 m 150 m 200 m 250 m 300 m SEÇÃO Section 1 1 SEÇÃO Section 2 2 SEÇÃO Section 3 3 SEÇÃO Section 4 4 SEÇÃO Section 5 5 SEÇÃO Section m 200 m 250 m 300 m 27

28 ITABIRA, MG (Gomes e Saraiva, 2010) Deflexões da seção com base mistura e reforço sob a base (seções 5 e 6) apresentaram desempenho semelhante ao da seção convencional (seção 1) com custo menor. 28

29 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO EXEMPLO 2 USO DE GEOSSINTÉTICOS PARA AUMENTAR A VIDA ÚTIL DE LASTRO FERROVIÁRIO Fernandes, Palmeira e Gomes (2008)

30 Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) Ferrovia para transporte de minério de ferro. Lastro fratura perante carga cíclica pesada. Material caro requerido para manutenção 2 LOCOMOTIVAS 1600 kn CADA VAGÕES 1000 kn CADA, 16 VEZES POR DIA 30

31 Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) Ensaio de sub-lastro alternativo com e sem reforço geossintético. Sub-lastro alternativo: 50% areia siltosa + 25% areia siltosa de resíduo de mineração + 25% cascalho arenoso. Sub-lastro tradicional: 100% cascalho arenoso; 31

32 Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) CANALETA DE DRENAGEM LASTRO DORMENTE SUB-LASTRO CAIXA DE APOIO DA INSTRUMENTAÇÃO SUB-LASTRO TRADICIONAL SUB-LASTRO ALTERNATIVO LASTRO SUB-LASTRO SUB-LEITO S1 S3 S4 S6 GEOGRELHA GEOTEXTIL NÃO TECIDO SUB-LASTRO TRADICIONAL: CASCALHO ARENOSO SUB-LASTRO ALTERNATIVO: 50% AREIA SILTOSA + 25% RESÍDUO DE MINERAÇÃO + 25% CASCALHO AREOSO 32

33 Strain ( ) Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) Instrumentação incluiu deformímetros no topo e na base do lastro. Monitoramento por 600 dias perante passagem de eixos strain gauge DEFORMÍMETRO train ( ) strain DEFORMÍMETRO gauge E E+05

34 Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) Até eixos o desempenho foi semelhante para todas as seções. Depois de eixos as seções reforçadas (S3 e S4) apresentaram deformação horizontal menor do que a seção com lastro tradicional (S1). A seção não reforçada com lastro alternativo (S6) apresentou o pior comportamento. 34

35 Strain ( ) Fernandes, Palmeira e Gomes (2008) DEFORMAÇÃO HORIZONTAL (microstrain) SUB-LASTRO ALTERNATIVO SEM REFORÇO S6 Alternative Sub-ballast S1 TRADICIONAL Traditional strain gauge S3 Geogrid GEOGRELHA S4 Geotextile GEOTEXTIL E E E E E Number of axles NÚMERO DE EIXOS 35

36 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO EXEMPLO 3 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNICA NO MONITORAMENTO DE OBRAS DE MINERAÇÃO

37 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNICA EM MINERAÇÃO Basicamente, mede-se: Deslocamento superficial (vertical e horizontal) topografia; geodesia Deslocamento vertical profundo sistema hidráulico fechado; sistema magnético; marcos profundos Deslocamento horizontal profundo - inclinômetro Rotação - defletômetros Deformação específica de peças metálicas - deformímetros Pressão na água do subsolo - piezômetros Pressão no terreno e do terreno sobre estruturas - células de carga Monitoramentos outros: temperatura, pressão atmosférica, chuva, vazão

38 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO EXEMPLO DE USO DE INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNICA: CONVIVÊNCIA DE UMA EMPILHADEIRA COM UM TALUDE INSTÁVEL Geoprojetos (1992)

39 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Um sistema de correias transportadoras operava em uma mina de ferro no início da década de 90.

40 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Uma das extremidades desse sistema era uma empilhadeira destinava a formar pilhas de material estéril na beira de um talude.

41 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992)

42 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Pouco tempo depois da entrada em operação, foram notadas trincas superficiais que cruzavam a plataforma e foram observados deslocamentos no apoio de concreto das rodas da empilhadeira.

43 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) PILHA Foram instalados inclinômetros, cujas leituras, juntamente com as trincas superficiais, indicaram a existência de um movimento de massa. INCLINÔMETRO SUPERFÍCIE DE RUPTURA INFERIDA

44 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO EMPILHADEIRA APOIADA EM TRILHO SOBRE MEIA-LUA DE CONCRETO PLANTA PILHA APOIO E TRILHO NÍVEL DE ÁGUA SEÇÃO SUPERFÍCIE DE RUPTURA DETALHE DO APOIO E TRILHO

45 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Em presença dessa situação, o Proprietário decidiu instalar uma nova empilhadeira em um ponto vizinho estável. A empilhadeira instalada na zona instável seria desmontada e utilizada em outro local do complexo de mineração. Cerca de 6 meses seriam necessários para fazer a nova instalação.

46 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Nessas circunstâncias, o Proprietário questionou se a empilhadeira em operação deveria ser desmontada imediatamente ou se, durante o período de espera de 6 meses para a nova montagem, ela poderia continuar operando.

47 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Caso não fosse possível, haveria uma incidência muito elevada de custo, pois o transporte do estéril teria que ser feito por caminhão fora de estrada, percorrendo grandes distâncias, enquanto se esperava pela nova montagem. Ou seja, indagava-se sobre a viabilidade de convivência entre o equipamento e o movimento da encosta.

48 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) Foram desenvolvidos estudos, com a participação de geólogos, engenheiros civis, engenheiros mecânicos e especialistas em operação do Proprietário, ao cabo dos quais foi adotada uma convivência da empilhadeira com o talude instável com as seguintes bases e condicionantes: 1. Podia-se, com razoável grau de segurança, considerar que os movimentos da encosta seguiriam sendo lentos.

49 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 2. Havia um trecho estável da meia-lua de apoio, que se situava fora da massa em movimento ( refúgio ). A empilhadeira poderia ser recolhida para o refúgio caso necessário. Tempo máximo necessário para recolher a empilhadeira ao refúgio igual a 10 minutos.

50 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 3. O ponto mais sensível aos deslocamentos era o eixo vertical de rotação da empilhadeira, que ficava fora da massa instável. Se o nível da meia-lua de apoio fosse ajustado periodicamente, as condições mínimas de operação da máquina seriam atendidas.

51 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 4. O ajuste do nível da meia-lua podia ser conseguido utilizando apoio em brita e chapas metálicas.

52 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) O sistema de convivência foi aprovado e o risco foi aceito (compartilhado) pelo Proprietário. As principais ações de aplicação do sistema estão descritas a seguir.

53 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 1. Foi mantido contínuo acompanhamento dos deslocamentos verticais e horizontais, através de inclinometria e nivelamentos. Os nivelamentos incluiriam marcos superficiais e as placas de apoio das rodas da empilhadeira. 2. Uma equipe de instrumentação geotécnica foi mantida permanentemente no local, dedicada exclusivamente à tarefa de medição dos instrumentos.

54 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 3. Os limites de deformação foram fixados em função da inclinação aceitável do eixo central da empilhadeira.

55 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 4. O pessoal de operação da empilhadeira recebeu treinamento específico de modo a ficar atento aos deslocamentos (sensores de desnivelamento com alarme foram instalados) e recolher ao refúgio. 5. Em caso de chuva intensa, a empilhadeira era recolhida ao refúgio, até que a instrumentação demonstrasse que não estava ocorrendo aceleração dos deslocamentos.

56 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) 6. Quando o desaprumo do eixo da empilhadeira chegava perto do limite fixado, a meia lua de apoio era alteada com o seguinte procedimento: recolher a empilhadeira para o refúgio; remover as placas metálicas de apoio das rodas da empilhadeira; altear e nivelar a brita; recolocar as placas no nível de operação.

57 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992) O período de 6 meses (ao longo do qual foram feitos diversos alteamentos em diferentes pontos da meia-lua) foi cumprido sem maiores problemas. Quando a empilhadeira foi, finalmente, desativada, tinham ocorrido deslocamentos verticais e horizontais de dezenas de centímetros.

58 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Geoprojetos (1992)

59 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO OBRIGADO