ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS CAMADAS QUE FORMAM O SISTEMA PISO-CAMADA-TETO EM MINAS DE CARVÃO
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- Felícia de Abreu Freire
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1 ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS CAMADAS QUE FORMAM O SISTEMA PISO-CAMADA-TETO EM MINAS DE CARVÃO André Zingano Prof. Dr. DEMIN UFRGS andrezin@ufrgs.br Mariana Stein Estudante Eng. de Minas DEMIN - UFRGS Rodrigo Luis Karas Eng. de Minas DEMIN UFRGS RESUMO O projeto de sustentação em minas de carvão requer a determinação das propriedades mecânicas das camadas que formam o sistema piso-camada-teto e sua variabilidade ao longo da área de mineração. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para a determinação das propriedades mecânicas das camadas de interesse em uma jazida de carvão e determinar essa variação das propriedades por meio da indicação de qualidade e resistência da camada de carvão em cada furo de sonda. Os parâmetros geomecânicos foram determinados a partir da descrição da sondagem e ensaios em laboratório. A estimativa das propriedades geomecânicas foi por meio do critério de Hoek-Brown. Os resultados mostraram que as camadas são brandas se encaixam em um comportamento elasto-plástico por Hoek-Brown. Foi possível observar uma variação das propriedades e a correlação do comportamento das camadas com estruturas geológicas. Palavras chave: mina de carvão, caracterização geomecânica, critérios de ruptura ABSTRACT The Ground control design in coal mining requires the determination of the mechanical properties of the floor-seam-roof system and its variability along the mining area. This work has the objective to present a methodology to determine the mechanical properties of main layers for ground in coal mining, and the variability of the properties by the coal seam strength in each borehole. The mechanical properties were determined by borehole geomechanical description and laboratory tests. Also, Hoek and Brown criteria was applied to determine rock mass properties. The results showed that the layers are weak and fitted well in a Hoek-brown elastic-plastic behavior. It was possible to observe that there is a correlation between the layers behavior and the geological structures. Key words: coal mining, geomechanical characterization, failure criteria.
2 INTRODUÇÃO O estado de Santa Catarina é responsável por mais de 50% da produção de carvão no Brasil. Problemas de suporte e reforço do teto imediato e dimensionamento de pilares fazem parte da rotina nas fases de planejamento e operação de lavra. Esses desafios de estabilidade na mina se devem, principalmente, de uma carência de informações de qualidade do teto imediato e da camada de carvão na fase de projeto de mina. Nesta fase, as informações são obtidas a partir da descrição das sondagens em termos de geomecânica e qualidade das camadas que formam o sistema piso-camada-teto e testes de laboratório. A classificação geomecânica é fundamental para determinar as propriedades geomecânicas do maciço rochoso que forma o sistema piso-camada-teto e para para um projeto seguro. Entretanto, esta classificação deve ser realizada para diferentes áreas em uma mesma mina, pois a resistência em uma camada de carvão e do teto imediato pode apresentar diferença de valores dentro de uma mesma jazida (Weiss, 2002). O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo de caso com o procedimento de caracterização geomecânica das camadas que formam o sistema piso-camada-teto a partir de furos de sondagem, a distribuição dos resultados dentro da área de pesquisa e uma correlação entre os resultados da caracterização com as estruturas geológicas existentes. METODOLOGIA Em todo projeto de engenharia para estimar o comportamento do maciço rochoso, deve-se realizar a descrição do mesmo, que compreende desde a caracterização de descontinuidades à resistência a compressão uniaxial e triaxial da rocha intacta (Zingano, 2002). Atualmente duas classificações geomecânicas são mais utilizadas para diferentes tipos de projeto para minerações de carvão: (i) RMR - Rock Mass Rating (Bieniawski, 1976 e 1989) e (ii) CMRR - Coal Minning Roof Rating (Molinda e Mark, 1994), este último exclusivo na mineração de carvão. Os parâmetros para o RMR são os seguintes: Resistência a compressão uniaxial do material rochoso; RQD (%); Espaçamento entre fraturas Qualidade das fraturas em termos de abertura e preenchimento Presença de Água; Os seguintes parâmetros são aplicados para a classificação CMRR: RQD (%) Resistência a compressão ou índice de carga pontual perpendicular a estratificação Índice de carga pontual paralelo a estratificação Espessura da camada Sensibilidade a umidade
3 Para realizar a classificação geomecânica do maciço rochoso deve-se primeiramente descreverr os testemunhos de sondagem para calcular o RQD Rock Quality Designation (Deer, 1963; Deer e Deer, 1988), espaçamento entree descontinuidades e qualidade das fraturas em termos de rugosidade (Figura 1). Figura 1 Descrição geomecânica dos testemunhos de sondagem. A qualidade das fraturas consiste em analisar o tipo de rugosidade, preenchimento e espaçamento entre as paredes das descontinuidades. É de extrema importância para a descrição do maciço rochoso, pois influencia na resistência ao cisalhamento, especialmente em casoss como a separação de camadas e fraturas interlocked. Os tipos de rugosidades possíveiss em fraturas estão demonstrados na Figura 2. I rugosa Quebrada IV rugosa Ondulada II suave V suave III lisa VI lisa VII VIII rugosa suave Planar IX lisa Figura 2 Perfis de rugosidade e ondulação (ISRM, 1978). O cálculo da resistência da rocha intacta também é um parâmetro fundamental par a para obter a resistência do maciço rochoso e é parâmetro de classificação geomecânica. As três propriedades elásticas da rocha (tensão admissível, módulo de Young e razão de Poisson) são obtidas por testes realizados em laboratório. Os ensaioss mais importantes são os ensaios de compressão uniaxial e compressão triaxial. O ensaio de compressão uniaxial é executado por meio de um corpo-de-prova cilíndrico, cujas faces devem estar paralelas com no máximo 0,02mm de diferença, razão da altura pelo diâmetro de 2 a 2,5 com diâmetro NX (54 mm). A velocidade do ensaio deve ser constante, com carregamento entre 0,5 e 1,0 MPa ou controlada pela deformação do corpo de prova (ASTM D e ASTM D ).
4 O ensaio de compressão triaxial, assim como o uniaxial, é realizado em um testemunho de sondagem cilíndrico, porém com dimensões menores (H/D = 2 a 2,5) para poder entrar na câmera triaxial. A pressão de confinamento, exercida na amostra dentro da câmara, é aplicada usando um óleo hidráulico, enquanto o carregamento vertical (axial) é aplicado pela prensa. A tensão de confinamento não deve ultrapassar 10% da resistência da rocha. O ensaio precisa ser realizado em velocidade constante e no mínimo três testes devem ser feitos, sendo cada um com tensões de confinamento diferentes (ASTM D e ASTM D ). É importante ressaltar as diferenças do material rochoso do maciço rochoso. O material rochoso é o termo usado para descrever a rocha intacta entre descontinuidades, é representado por testemunhos de sondagem usados em testes de laboratório, por outro lado o maciço rochoso é o todo, formado por materiais heterogêneos e estruturas, como falhas, juntas, diques, entre outros. A resistência in-situ é sempre menor que do material rochoso, comprovado por testes realizado no granito Lac Due Bonet onde a resistência do maciço rochoso é apenas 70% da rocha ensaiada no laboratório (Hoek e Brown, 1997) e em camadas de carvão, sua resistência pode ser de 3 a 4 vezes menor que a resistência a compressão simples (Peng, 2007; Zingano, 2002). Hoek e Brown (1997) mostraram que por meio do RMR, do GSI (Geological Strength Index) e resistência do material rochoso é possível determinar a resistência e propriedades mecânicas do maciço rochoso (ângulo de atrito, coesão e módulo de Young). O GSI (Equação 1) é uma classificação para estimar a redução da resistência do maciço rochoso em diferentes condições geológicas. Pode ser estimado através do através do RMR de Bieniawski (1989), onde o parâmetro água tem índice 15. (1) O critério de Hoek-Brown é apresentado na equação 2, para maciço rochosos, e equação 3 para rochas intacta. (2) (3) (4) Para GSI > 25: (5) (6) Para GSI < 25: (7)
5 (8) A equação (1) é utilizada com os dados do ensaio triaxial, onde 1 e 3 são tensões efetivas máximas e mínimas, m b é uma constante para o maciço rochoso (Equação 4), ci é a resistência a compressão simpless e s e a (Equações 5 até 8) são constantes que dependem da características do maciço rochoso e são determinação em função da classificação do maciço (GSI). Para usar o critério de Hoek-Brown para estimar a tensão e deformação do maciço rochoso, três propriedades do maciço rochoso tem de ser estimadas: Resistência à compressãoo uniaxial da rocha intacta; O valor da constante de Heak Brown, mb da rocha intacta; O valor do GSI (Geological Stranght Index); ESTUDO DE CASO Esta metodologia foi aplicada em uma jazida de carvão na camada Bonito, localizada no município de Treviso, SC. Nesta jazida, nove furos de sondagem de um total de 20 furos foram selecionados pela empresa para efetuar a caracterização das camadas que formam o teto imediato, a camada de carvão e o piso. A figura 3 mostra a localização dos furos nos quais foi realizada a caracterização geomecânica. Figura 3 Localização dos furos de sonda (nominados por CM ) e os limites de conseçãoo de lavra (escala da quadrícula).
6 Cada furo foi descrito em termos de RQD, espaçamento e qualidade das fraturas. Uma planilha foi montada para organização dos parâmetros de qualidade de cada uma das camadas (Figura 4). Pode-se observar que em cada camada é anotada o intervalo, profundidade, recuperação e, também, os demais parâmetros geomecânicos que influenciam na qualidade das camadas. Na figura 4 pode-se observar que o RQD da camada de carvão é baixo, tornando uma camada fraca. Com relação às descontinuidades, é anotada a qualidade das descontinuidades em cada camada em termos de rugosidade e preenchimento e, ainda, o ângulo entre o eixo do testemunho e a descontinuidade. Também é anotado o espaçamento médio. Como era de se esperar, o espaçamento médio para a camada de carvão é mais baixo que as camadas de arenito do teto e piso. Esse comportamento acompanha o RQD mais baixo. A tabela 1 mostra o resultado do RMR para a camada Bonito em cada um dos furos que foram estudados. A resistência das camadas (maciço rochoso) que formam o sistema piso-camada-teto é calculada por meio da metodologia apresentada por Hoek e Brown (1997), conforme as equações descritas acima. A tabela 1 mostra o resultado da resist6encia para a camada Bonito em cada um dos furos de sonda que foram descritos. Furo Tabela 1 Resistência da camada de carvão Bonito por furo de sondagem. Tensão Ruptura Médio (MPa) Mod.Young Médio(MPa) RQD (%) Rugosidade RMR Resist. (MPa) Propriedades da Camada Mod. Young (MPa) Coesão (MPa) Ângulo Atrito( ) CM-15 15, ,92 46,8 baixa 40 2,48 170,1 0,8 26,1 CM-17 20, ,96 57 alta 57 4,92 622,43 1,4 31,1 CM-18 14, ,69 39 alta 43 2,11 170,1 0,7 26,1 CM-20 18, ,26 41 baixa 43 2,42 230,6 0,8 26,4 CM-22 16, ,47 46 alta 43 3,17 760,1 0,9 30 CM-24 18, ,22 41 alta 42 4,57 509,5 1,4 29,6 CM-26 26, ,17 60 alta 48 5,84 493,9 1,7 28,2 CM-27 23, ,12 67 alta 48 7, ,9 34,1 CM-32 19, ,38 65 alta 48 6, ,7 33,4 Pode-se observar que a resistência da camada Bonito varia de 2,11 até 7,32 MPa, com uma variação de 5,22 MPa entre o menor e maior valor. O valor médio para a camada de carvão, considerando os furos que foram descritos, é de 4,4 MPa com variância de 3,7 MPa 2 e desvio padrão de 1,9 MPa. Então, a resistência de cada furo de sondagem foi plotado no mapa de forma a verificar variações dentro da área de pesquisa e se existe alguma correlação com presença de estrutura tipo falha. Foi possível verificar que a resistência da camada pode apresentar variações dentro de uma pequena área.
7 Figura 4 Planilha para descrição geomecânica de furo de sondagem.
8 Pode-se verificar no mapa da figura 3 que os furos com menor resistência (CM-15, 18 e 20) estão localizados próximos de zonas de falhas (área achurada no centro da área de pesquisa) e abaixo do rio Mãe Luzia. O furo CM-22 está sobre uma falha e apresenta valor mais baixo. Isto comprova que a resistência da camada tem correlação com a geologia estrutural. Esta variação é causada, principalmente, pela variação da freqüência de descontinuidades, representado pelo RQD, e pela resistência da camada de carvão (Figura 5). Neste estudo de caso, tanto o RQD como a resistência da rocha são as causas desta variação, pois fazendo um controle com as medias das resistências de cada furo, quatro medias (CM-15, CM-18, CM-26 e CM -27) ficaram fora do desvio padrão, e na carta de controle da freqüência de descontinuidades três furos também estavam fora dos limites do desvio padrão (CM-18, CM- 27 e CM-32). 8 Carta de Controle das Médias de Resistência do Carvão 80 Carta de Controle das Médias de RQD 7 70 Resistencia MPA Amostra Linha central LS LI RQD Amostras LS LI Média Figura 5 Variação da resistência da camada e do RQD. É importante lembrar que a resistência do maciço rochoso pode agir de forma indireta na análise do RQD, pois ao realizar a sondagem para extração de testemunho a rocha mais branda irá quebrar detro do barrilete. Em função desta variação da resistência, a área foi dividida em quatro áreas (A1, A2, B e C) baseadas nas localizações das sondagens (figura 3). Assim em cada área da mina dividido foi realizado uma media das resistências dos furos de sondagem presentes na mesma. Chegando a uma resistência para aplicação de projetos, conforme mostra a tabela 2. Tabela 2 Resistência da camada de carvão Bonito para cada sub-área. Setor Resistência Camada (MPa) A1 7,3 A2 4,2 B 6,0 C 6,0 É possível verificar na Figura 3, que nos setores B e C não há sondagem com caracterização geomecânica, portanto os resultados da resistência mostrados na tabela acima representam
9 uma média da resistência das demais áreas. Os furos que estão localizados em áreas que serão mineradas, a zona de falha, não foram considerados na média das regiões A1 e A2. CONCLUSÃO Este trabalho comprovou que a resistência em diferentes áreas pode apresentar grandes variações em uma mesma jazida de carvão. Assim é necessário fazer a classificação geomecânica e estimar a resistência do maciço rochoso para diferentes setores de uma mesma mina para um projeto seguro de engenharia. A caracterização é importante para projetos de sustentação de escavação subterrânea, entendimento do comportamento do maciço rochoso, planejamento de lavra, dimensionamento dos equipamentos e projeto do desmonte de rocha. Para o dimensionamento dos pilares é necessário conhecer a resistência do maciço rochoso. Caso fosse aplicada uma resistência média dos furos em toda projeto de lavra, uma região seria super-dimensionada e outra sub-dimensionada, assim possibilitando, neste último, futuros acidentes como rompimento de pilares seguido por subsidência. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao Depto. De Engenharia de Minas da UFRGS e Fundação Luiz Englert pela infraestrutura disponível para o desenvolvimento deste projeto e a Empresas Rio Deserto pela disponibilidade das informações. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bieniawski, Z.T Rock mass classification in rock engineering. In: exploration for rock engineering, proc. of the symp., (ed. Z.T. Bieniawski) 1, Cape Town: Balkema Bieniawski, Z.T Engineering rock mass classifications. New York: Wiley Brady, B.H.G. and Brown, 1985, Rock Mechanics for Underground Mining, George Allen and Unwin Editora, Londres. Deer, D.U., 1963, Technical description of rock cores for engineering proposes, Rock Mech. Eng. Geol., vol.1, pp Deer, D.U. e Deer, D.W., 1988, The RQD index in practice, Proc. Symp Rock Class. Eng. Purp., ASTM Spacial Technical Publication 984, pp , Philadelphia. Hoek, E. e Brown, E.T., Practical Estimates of Rock Mass Straight, Int. J. Rock
10 Mech. and Min. Sci. Hoek, E., Kaiser, P.K. e Bawden, W.F. 1998, Support of Underground Excavation in Hard Rock., Balkema Pub., 215 pág. International Society for Rock Mechanics Commission on Standardisation of Laboratory and Field Tests Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 15, Peng, S.S Coal Mine Ground Control, John Wiley and Sons, Nova York, EUA. Zingano, A.C. Modelamento Geomecânico para o Dimensionamento de Pilares de Carvão Tese (Doutorado em Engenharia de Minas) Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalurgia e de Materiais (PPGEM), Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, Brasil. Weiss, A.L. (2002), Incorporação de Informações Geomecânicas no Planejamento de Lavra Subterrânea, Dissertação de Mestrado, Orientador: João Felipe Costa, Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalurgica e Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil
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