CONCEPÇÃO E PROJETO BÁSICO DA DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE REJEITOS DE MINÉRIODE FERRO EM CAVA EXAURIDA DE MINERAÇÃO

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1 CONCEPÇÃO E PROJETO BÁSICO DA DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE REJEITOS DE MINÉRIODE FERRO EM CAVA EXAURIDA DE MINERAÇÃO R. C. Gomes L. G. de Araújo W. L. de O. Filho S. G. S. Ribeiro C. de L. Nogueira RESUMO: Na implementação de um novo e integrado sistema de disposição de rejeitos de minério de ferro na sua unidade industrial de Germano, localizada no município de Mariana/MG, a SAMARCO Mineração buscou compatibilizar a exigência de acumulação de grandes volumes de rejeitos com a necessidade de recuperação de áreas francamente degradadas por atividades de lavra no passado. Neste contexto, em área de cava exaurida, propôs-se a implantação de um sistema de deposição de rejeitos sob a forma de uma pilha de grandes dimensões, que deve atingir 160m de altura e comportar um volume de rejeitos da ordem de 40 milhões de m 3. O trabalho apresenta os estudos preliminares que nortearam a concepção e o projeto básico do sistema de disposição em pilha de rejeitos de minério de ferro da Samarco Mineração S.A., caracterizando os aspectos gerais do empreendimento e as alternativas adotadas até a definição final do projeto básico. 1. INTRODUÇÃO Na região conhecida como Quadrilátero Ferrífero do estado de Minas Gerais, uma área de cerca de 7000km 2, estão localizadas imensas reservas de minério de ferro, com mais de 50% das reservas brasileiras e constituindo a terceira maior província de formações ferríferas do planeta (Goodwin, 1982). Várias minerações atuam na região, explorando o minério de ferro, em minas a céu aberto, a partir da lavra dos itabiritos da Formação Cauê. No município de Mariana /MG, a Samarco Mineração S.A. tem a sua unidade de lavra e beneficiamento do minério de ferro (unidade de Germano), com reservas estimadas em mais de 5 bilhões de toneladas (Mina de Alegria) e uma produção anual da ordem de 12 milhões de toneladas de pelotas ( pellets ). A planta de beneficiamento é alimentada pelo minério transportado através de um sistema de correias de longa distância, com mais de 4km de extensão. No processo de beneficiamento, o minério é submetido a etapas sucessivas de peneiramento, britagem, moagem, deslamagem e flotação em colunas, obtendo-se o ferro concentrado e eliminando-se as impurezas, principalmente a sílica. O minério resultante do processo de concentração é, então, misturado à água e, sob a forma de polpa, é bombeado através de um mineroduto com 396km de extensão, até a unidade industrial de Ponta Ubu, em Anchieta, litoral do Espírito Santo. O rejeito de flotação, resultante do processo de beneficiamento do minério de ferro, é lançado diretamente no reservatório da Barragem do Germano, gerando uma descarga anual da ordem de 6,5 x 10 6 toneladas. A barragem tem hoje cerca de 110m de altura, resultantes do dique inicial e vários 161

2 alteamentos sucessivos e está na fase final de sua vida útil. Ao longo de um período de 18 anos, a exploração do itabirito a partir das jazidas da Mina do Germano (hoje exauridas), resultou em uma cava de grandes dimensões (1,3km de comprimento, 800m de largura e 220m de altura), delimitada por taludes de itabirito e filito, atualmente em franco processo de erosão. A partir da concepção de um projeto integrado, visando compatibilizar a disposição dos rejeitos atuais e a recuperação desta imensa área degradada, no entorno imediato da planta de beneficiamento de Germano, desenvolveu-se a implementação de um plano diretor, incluindo-se o projeto da disposição dos rejeitos sob a forma de pilha nesta antiga área de mineração ( Cava do Germano ). Este projeto foi desenvolvido através da parceria entre a empresa projetista Pimenta de Ávila Consultoria Ltda e a consultoria do Núcleo de Geotecnia da UFOP (convênio específico firmado entre a Samarco e a Universidade Federal de Ouro Preto). 2. CONDICIONANTES LOCAIS E CONCEPÇÃO GERAL DO PROJETO A cava do Germano (figura 1) constitui o arcabouço final resultante das atividades de exploração do minério de ferro por um período ininterrupto de quase 20 anos, lavrado até uma cota mínima em torno de 933,0. Uma feição fundamental no projeto é a geometria e localização da correia transportadora do minério bruto da Mina de Alegria, que acompanha o contorno leste da base da cava, por uma extensão aproximada de 1,5km. Os custos envolvidos com a realocação desta linha de alimentação torna proibitiva a sua remoção imediata. Os taludes são compostos por itabiritos na região do fundo da cava e nas cotas inferiores dos mesmos, em feições remanescentes, mantidas com o objetivo de atuar como contrafortes para os filitos superiores. Solos lateríticos ocorrem em regiões limitadas junto ao topo dos taludes. Devido a exposição por alguns anos às intempéries, estes materiais foram submetidos a intensa ação erosiva, com destruição total ou parcial das bermas de equilíbrio, formação de grandes ravinas e desenvolvimento de zonas de instabilidade ao longo de praticamente todo o maciço. Este processo resultou em intenso carreamento de material e assoreamento do fundo da cava, fator essencial em termos da avaliação de sua utilização ou não como camada de suporte da pilha de rejeitos. Estes condicionantes são discutidos detalhadamente em outro trabalho deste congresso (Gomes et al., 1999b) e condicionaram, em larga escala, a concepção e as premissas do projeto final. Figura1. Arranjo geral e base topográfica da Cava do Germano (final de lavra) 162

3 A concepção geral do empreendimento foi estabelecida, em etapas sucessivas, a partir das seguintes premissas (Pimenta de Ávila, 1998): (i) descentralização e flexibilização do sistema geral de disposição de rejeitos; (ii) permanência da correia transportadora ao longo do contorno leste do fundo da cava; (iii) desenvolvimento da pilha em duas etapas independentes; (iv) arranjo e geometria da pilha condicionados pelo sistema de drenagem interna e material de assoreamento do fundo da cava; (v) metodologias construtivas privilegiando a não interferência com os procedimentos de lançamento e disposição dos rejeitos; (vi) utilização de subprodutos da própria mineração como materiais de construção. Todas estas medidas foram implementadas com base em uma estratégia de redução dos impactos advindos da aplicação dos recursos iniciais e de otimização do cronograma de investimentos a médio e longo prazo. Por outro lado, estas premissas, bem como os parâmetros de projeto, serão continuamente reanalisados a partir dos resultados do monitoramento das fases iniciais da pilha. A tendência geral de se dispor os rejeitos em diferentes unidades de acumulação tornouse, ao longo da implementação dos projetos básico e executivo, a principal premissa e o elemento gerenciador do arranjo, locação e geometria final da pilha de rejeitos. 3. PROJETOS PRELIMINARES DA PILHA DE REJEITOS Os primeiros estudos para a implantação de um sistema de disposição de rejeitos em pilha na área da Cava do Germano foram feitos pela Figueiredo Ferraz em Na concepção original, o projeto previa uma pilha inicial com vida útil estimada em 04 anos, baseado em características presumidas para os rejeitos e em metodologias construtivas estabelecidas a partir da experiência prévia adquirida com os alteamentos executados na Barragem do Germano. A implantação da pilha inicial foi norteada por critérios técnicos e econômicos: postergar os investimentos oriundos do remanejamento da correia transportadora na área da cava e utilizar a pilha inicial como elemento de aferição dos parâmetros geotécnicos, eficiência do sistema de drenagem e metodologias construtivas, visando a implantação da pilha final, com volume aproximado de 67 x 10 6 m 3 (Figueiredo Ferraz, 1995). O projeto previa a construção da pilha entre as cotas 936 e 1100, a partir de um dique de enrocamento e sistema de drenagem definida por um dreno de fundo, um tubo extravassor de aço (30'' de diâmetro) e canal de drenagem à jusante. Após o esgotamento da capacidade de acumulação do dique de partida, alteamentos sucessivos da pilha seriam executados com o próprio rejeito, escavado e conformado através de tratores de esteiras. Face a inexistência de estudos detalhados, o projeto previa a remoção de todo o material de assoreamento da cava na zona de implantação da pilha. Por outro lado, nesta concepção, seriam bastante freqüentes as manobras de deslocamento do rejeitoduto, devido ao grande volume de rejeitos gerados e o espaço restrito disponível, particularmente nas fases iniciais de disposição. Nestas condições, o projeto previa o remanejamento do processo de disposição dos rejeitos para o reservatório da Barragem do Germano. Posteriormente, estes conceitos foram algo revisados por Ribeiro et al. (1996), com análises centradas fortemente numa concepção de empilhamento dos rejeitos por ciclonagem. Nas análises feitas, os rejeitos apresentavam, em média, 65% de finos (definidos em termos do material com < 80µm) e a polpa, 77% de SiO 2 e 23% de Fe (com densidade igual a 1,24 e 40% em peso de teor de sólidos). Com base nestes parâmetros, 49 ciclones foram dimensionados para atender as prescrições do projeto proposto (figura 2), uma pilha de 150m de altura e volume aproximado de 38,3 x 10 6 m 3, formada pela associação dos produtos diferenciados de ciclonagem (> ou < 80µm): o material de granulometria mais grossa ( underflow ) constituindo a parte mais externa da pilha (camada de cobertura com 21,6m de espessura média), confinando o maciço de material apresentando granulometria mais fina ( overflow ). Os estudos enfatizaram principalmente as análises de estabilidade da pilha, a partir dos parâmetros geotécnicos assumidos para os 163

4 Figura 2. Concepção preliminar da pilha de rejeitos da Cava de Germano (Ribeiro et al., 1996). produtos de ciclonagem e das litologias xistentes nos taludes da cava. As conclusões dos estudos mostraram problemas potenciais de estabilidade e indicavam a necessidade da adoção de um sistema extra de confinamento externo da pilha (proposto como uma camada mais externa, de 6,5m de espessura, constituída por blocos de itabirito, com granulometria variando de 20 a 150mm, resultantes do oversize do peneiramento, subproduto do processo de beneficiamento do minério). Outra variante em relação à proposição anterior estava fundamentada na concepção do sistema de drenagem interna e de fundo da pilha. Os autores propuseram um sistema complexo de drenos de fundo, tapetes drenantes e filtros inclinados, com espessuras variáveis (valor mínimo de 0,5m em trechos horizontais e de 1,5m em trechos verticais ou inclinados) e construídos com materiais de natureza diversa, incluindo-se os produtos da ciclonagem, o oversize de peneiramento, transições e geotêxteis. 4. PROJETO BÁSICO DA PILHA DE REJEITOS DA CAVA DO GERMANO A concepção atual, embora preservando algumas das premissas que condicionaram os projetos anteriores, constitui uma reanálise global do projeto da pilha, com base em estudos específicos sobre as características tecnológicas dos rejeitos, comportamento do material assoreado na cava, estabilidade dos taludes remanescentes, drenabilidade da pilha e metodologias construtivas do empilhamento (Pimenta de Ávila, 1998). Esta reavaliação do projeto tornou-se uma exigência formal, a partir de maio/97, em face das alterações do processo de beneficiamento decorrentes da entrada em operação de novas jazidas da Mina de Alegria. A composição variável do minério bruto passou a exigir uma maior flexibilização do beneficiamento, com conseqüentes modificações na natureza e nas características físico-químicas dos rejeitos. Diversas campanhas de ensaios foram, então, realizadas nos novos rejeitos, lançados diretamente na Barragem de Germano ou em dique construído para testes de empilhamento. A textura dos novos rejeitos apresentou uma granulometria com um teor de finos ainda mais elevado que o dos rejeitos antigos, variando entre 38 e 82% (material passante na peneira 200). Estes dados induziram, inicialmente, a uma concepção de empilhamento condicionada pelas fases de ciclonagem do rejeito, a exemplo da prescrita por Ribeiro et al. (1996). Neste caso, o underflow do rejeito após ciclonagem seria depositado na face externa da pilha, ao longo de uma largura de 100m, e o rejeito não ciclonado seria lançado na zona interna, com inclusões do underflow do rejeito ciclonado. Um tapete drenante feito com o oversize do peneiramento e com 164

5 transições completava o arranjo final da pilha (figura 3; esta figura e as subsequentes constituem parte integrante do Relatório Técnico do Projeto Básico, sendo a referência dada em Pimenta de Ávila Consultoria Ltda, 1998). Esta alternativa, no entanto, foi descartada após os estudos preliminares da ciclonagem dos rejeitos. Com efeito, os resultados dos ensaios realizados com amostras coletadas nas áreas de lançamento, a diferentes distâncias do ponto de descarga dos rejeitos (de 50 em 50m até 250m) e a diferentes profundidades (até 2,0m), visando estabelecer correlações entre densidades in situ, composição química, densidade dos grãos e distribuição granulométrica do rejeito, evidenciaram os mecanismos físicos de uma inadequada segregação das partículas. Os maiores teores de ferro estavam concentrados nas partículas mais finas, ao passo que a sílica era o elemento predominante na fração mais grossa do rejeito. Adotou-se, então, uma configuração da pilha para a condição de rejeito não ciclonado, com variações do sistema de drenagem interna, associando-se um arranjo de tapete drenante e dreno de pé com filtros vertical e em escada, respectivamente (Pimenta de Ávila, 1998). Das premissas iniciais, foi mantida a concepção do empilhamento em duas etapas: uma pilha inicial, a ser construída em presença da correia transportadora que cruza a base da cava na sua borda leste e uma pilha final, sem a presença da mesma (postergando-se, assim, os pesados investimentos iniciais envolvidos num processo de remanejamento imediato da correia), a qual deve se estender até a cota 1100, atingindo uma altura final da ordem de 160m (figura 4). (Projeto Básico / Pilha do Germano) Figura 3. Configuração da pilha da Cava do Germano com rejeitos ciclonados e não ciclonados Figura 4. Configuração da pilha da Cava do Germano com rejeitos não ciclonados 165

6 A geometria e o arranjo geral das pilhas foram condicionados, em larga escala, pelas condições de instabilidade dos taludes da cava, As incertezas relativas ao comportamento `a drenabilidade dos rejeitos comportaram estudos específicos, a realização de ensaios drenabilidade dos rejeitos e pelas especiais e observações na área-teste de características do material de assoreamento do fundo da cava. Estes condicionantes geológico - geotécnicos são discutidos em detalhe em outro trabalho deste congresso (Gomes et al., 1999b). As condições dos taludes foram analisadas basicamente sob dois aspectos: (i) locação do sistema extravassor da drenagem da superfície de lançamento dos rejeitos, projetada em termos de um sistema de tubos tipo flauta, apoiados no maciço e (ii) influência de uma eventual ruptura dos taludes de itabirito e/ou filito sobre a estabilidade da pilha. No primeiro caso, procedeu-se a um detalhado mapeamento geotécnico dos taludes para caracterização das seções mais favoráveis para a implantação dos tubos tipo flauta, os empilhamento. Em termos gerais, constatou-se que, uma vez interrompido o lançamento e permitida a livre drenagem dos rejeitos por um período de tempo adequado, os rejeitos apresentavam baixos teores de umidade e elevada resistência, ainda que não ciclonados. Em termos práticos, estabeleceu-se, então, uma sistemática de lançamento dos rejeitos em quatro células independentes (figura 5), cada célula correspondendo a um mês de processo contínuo de disposição. Neste contexto, o rejeito depositado em cada célula ficaria sujeito a livre drenagem por um período de três meses, atingindo condições de deposição francamente favoráveis (Pimenta de Ávila, 1998). Em relação ao material erodido dos taludes quais descarregam em uma tubulação e depositado no fundo da cava, os horizontal (1,0m de diâmetro) na base da cava. condicionantes principais foram impostos pela A cada tubo corresponde uma tulipa necessidade de controle das subpressões removível, para controle das vazões. No segundo caso, estabeleceu-se inicialmente o atuantes na fundação da cava e pelos impactos sobre a estabilidade da pilha, em ambas as conceito de um volume de espera na etapas. Preliminarmente, optou-se pela primeira etapa da pilha, para atuar como remoção parcial do material na zona de espaço de acumulação do material influência do empilhamento, visando a escorregado, uma vez que, na segunda etapa, a própria pilha atuaria como elemento confinante dos taludes da cava. minimização dos volumes de escavação, face aos efeitos advindos da baixa resistência destes materiais sobre a estabilidade global da pilha Tubos tipo flauta Figura 5. Sistema de partição da pilha em células independentes e locação dos tubos tipo flauta. 166

7 5. ANÁLISES DE ESTABILIDADE E DE PERCOLAÇÃO A partir da configuração geral da pilha e considerando as variantes dos sistemas de drenagem adotados, foram implementadas séries de análises de percolação e de estabilidade. As análises foram feitas para a configuração final da pilha, na cota 1100 e com um talude externo médio de 1V: 3H. As análises de percolação foram feitas através do programa SEEP/W, considerando fluxo em regime permanente (figura 6). Como se trata tipicamente de um problema de fluxo em meio não-saturado, ensaios especiais em laboratório estão sendo ora implementados, visando obter as curvas características do fluxo nestas condições, ou seja, curvas de sucção x grau de saturação e sucção x permeabilidade relativa (ver Gomes et al., 1999b). As análises de estabilidade contemplaram condições da pilha muito similares às das análises de percolação, incluindo ou não bermas de estabilização. No projeto básico, os parâmetros de resistência obtidos para os rejeitos variaram de 20º a 40º, onde o menor valor correspondendo à condição não drenada e o maior valor para a condição drenada, a grandes deformações. Esta faixa de valores foi definida a partir de séries distintas de ensaios em laboratório e correlação com os resultados obtidos nas análises com os rejeitos antigos. As análises foram feitas através do programa SLOPE/W, em termos de tensões efetivas e a partir dos valores de poropressões obtidas a partir das redes de fluxo geradas nas análises de percolação. O material demonstrou exibir um comportamento tipicamente não coesivo, com superfícies críticas de ruptura praticamente sub-superficiais, na ausência de poropressões significativas. Em face da sistemática construtiva em células independentes a ser adotada para a pilha, a condição de campo deve reproduzir uma condição drenada para os rejeitos e a estabilidade da pilha deverá ser controlada pela resistência do material nestas condições. Assim, novas séries de ensaios triaxiais estão sendo feitas para a caracterização do comportamento da resistência do rejeito em condições drenadas, para diferentes estados de compacidade/consistência. 6. COMENTÁRIOS FINAIS E REVISÕES EM ANDAMENTO Os trabalhos encontram-se em fase de projeto executivo e os princípios gerais estabelecidos no projeto básico permanecem inalterados, com ênfase especial em análises específicas sobre os seguintes aspectos: (i) análise da estabilidade dos taludes em itabirito e filito da cava; (ii) determinação das características de drenabilidade dos rejeitos; (iii) análises de percolação sob condições não saturadas; (iv) análises de estabilidade da pilha em condições drenadas e para as novas condições de percolação; (v) estudo dos dados geotécnicos do material de assoreamento do fundo da cava; (vi) dimensionamento de dique de proteção adjacente ao talude oeste para evitar acumulação adicional de material no fundo da cava. Figura 6. Análise de percolação na Cava do Germano (pilha na configuração final) 167

8 Adicionalmente, duas novas abordagens estão sendo analisadas no momento: (i) reformulação do programa geral de lançamento de rejeitos da Samarco Mineração S.A., em períodos anuais, utilizando-se de três locais distintos de disposição: Cava do Germano, reservatório da Barragem do Germano e área à jusante da Barragem do Germano, a partir de um dique de partida de enrocamento situado à jusante da barragem, com a conseqüente reformulação do projeto da pilha em células independentes e (ii) análise da possibilidade de não remoção dos grandes volumes do material acumulado no fundo da cava, através da utilização de técnicas de reforço de solo por meio de geossintéticos. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figueiredo Ferraz Consultoria e Engenharia de Projeto Ltda (1995). Disposição de Rejeito na Cava Exaurida Projeto Executivo da Pilha Inicial. Relatório Técnico, 34p. (+ anexos). Gomes, R.C., Oliveira Filho, W.L., Araújo, L.G, Ribeiro, S.G.S. & Nogueira, C.L. (1999b). Condicionantes Geológico- Geotécnicos do Projeto de Disposição de Rejeitos em Cava Exaurida de Mineração. REGEO 99, 4 O Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental (em anexo). Goodwin, A. M. (1982). Distribution and Origin of Precambrian Banded Iron Formation. Revista Brasileira de Geociências, Vol. 12 (1-3), Pimenta de Ávila Consultoria Ltda (1998). Relatório do Projeto Básico de Disposição de Rejeitos por Empilhamento na Cava do Germano. Relatório Técnico, 28p. (+ anexos). Ribeiro, M.C., Souza Ribeiro, L. F. & Morales, R. (1996). Réhabilitation de la Mine de Germano M. G. (Brésil) par un project de construction d une digue de steriles de grande dimension. École des Mines d Alés, França, 87p. 168