Avaliação do Processo de Segregação Hidráulica de Rejeitos de Minério de Ferro por meio de Ensaios de Campo

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1 Avaliação do Processo de Segregação Hidráulica de Rejeitos de Minério de Ferro por meio de Ensaios de Campo Luiz Heleno Albuquerque Filho Doutorando, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, Distrito Federal Luís Fernando Martins Ribeiro e Renato Pinto da Cunha Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Distrito Federal Romero César Gomes Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Ouro Preto, Minas Gerais RESUMO: O presente trabalho descreve e discute a utilização de ensaios de campo, particularmente ensaios de piezocone e de penetrologger, para avaliação do processo de segregação hidráulica em uma barragem de rejeitos de minério de ferro da região do Quadrilátero Ferrífero. Estes ensaios objetivaram avaliar a influência do tamanho das partículas e das diferentes densidades das partículas no processo de deposição hidráulica dos rejeitos e na consequente formação dos estratos na região da praia. A importância desta pesquisa ampara-se na necessidade de se buscar um maior entendimento do processo de formação dos depósitos e conseqüentemente das barragens de rejeitos alteadas pela técnica do aterro hidráulica. PALAVRAS-CHAVE: Rejeitos de Minério de Ferro, Ensaios de Piezocone, Segregação Hidráulica. 1 INTRODUÇÃO A forma mais comum de disposição dos rejeitos de mineração consiste no lançamento direto sob forma úmida em reservatórios contidos por diques (áreas com pequena inclinação) ou barragens (vales). O lançamento dos rejeitos no interior dos reservatórios pode ser realizado em linha ou em um ponto único com auxílio de hidrociclones ou canhões de acordo com o layout da estrutura de contenção e volume de rejeitos produzidos na planta de beneficiamento. As estruturas são normalmente executadas a partir de um dique de partida constituído de terra compactada ou enrocamento, com os alteamentos sucessivos sendo realizados com a utilização do próprio rejeito através da técnica do aterro hidráulico (Figura 1). A construção destas barragens de contenção de rejeitos é normalmente realizada pela equipe técnica e equipamentos da própria mineradora com seus alteamentos sendo executados em etapas de acordo com a necessidade de armazenamento. A grande vantagem deste procedimento executivo reside na possibilidade de amortização dos custos envolvidos na construção da barragem ao longo da vida útil da estrutura, com otimização dos métodos construtivos em virtude da experiência anterior e utilização dos próprios resíduos contidos como material de construção. Figura 1. Seção típica de uma barragem de rejeitos alteada para montante. Entretanto, a utilização de barragens de rejeitos projetadas com a técnica de aterro hidráulico apresenta alguns condicionantes relacionados principalmente aos aspectos construtivos e de segurança, provocados pela insuficiência de especificações que normalizem

2 este tipo de estrutura. O procedimento de lançamento do material é feito geralmente de forma quase aleatória, não sendo estabelecido nenhum controle das variáveis que influenciam o processo de deposição (Ribeiro, 2). Dentre estas variáveis, o processo de segregação hidráulica das partículas dos rejeitos de minério de ferro constitui um fenômeno particularmente complexo e de relevante importância nas características geotécnicas e estruturais das barragens construídas. Nesse sentido, o presente trabalho discute e descreve a utilização de ensaios de campo para avaliação do processo de segregação hidráulica em uma barragem de rejeitos de minério de ferro da região do Quadrilátero Ferrífero. 2 PROCESSO DE SEGREGAÇÃO HIDRAÚLICA DE REJEITOS A segregação hidráulica representa a tendência da fração sólida dos rejeitos depositar-se de forma diferenciada na praia de deposição, criando um gradiente de concentração e interferindo diretamente na composição granulométrica do depósito. O fluxo de uma polpa de rejeitos na praia tende a provocar uma seleção das partículas e sua conseqüente deposição em diferentes locais ao longo da trajetória do fluxo. Este fenômeno tende a gerar uma enorme variabilidade estrutural, alterando de forma significativa os parâmetros de resistência, deformabilidade e permeabilidade. As análises do processo de segregação nos depósitos formados através da técnica do aterro hidráulico têm sido comumente realizadas levando-se em consideração apenas o tamanho das partículas sedimentadas. Entretanto, na condição dos sedimentos apresentarem características mineralógicas muito diferentes, a segregação hidráulica pode tornar-se um fenômeno muito mais complexo. De maneira geral, os grãos lançados hidraulicamente na praia tendem a se depositar nas proximidades dos pontos de descarga em função da energia de transporte (Vick, 1983). Entretanto, este processo de segregação hidráulica encontra-se condicionado a diversos fatores, tais como, o tipo de fluido, o tipo de sedimento, a distribuição granulométrica dos rejeitos, a concentração da lama, as condições de fluxo e a presença de aditivos químicos utilizados na polpa. Desta forma, destaca-se que o processo de seleção das partículas pode ocorrer em função do peso e não necessariamente de seu tamanho. Este fenômeno torna-se mais evidente quando as diferenças de densidade dos grãos dos materiais apresentam valores significativos. Neste caso se enquadram os rejeitos de minério de ferro que apresentam composição mineralógica constituída basicamente por partículas de sílica e ferro. Os grãos de sílica normalmente são mais grossos enquanto as partículas de minério de ferro têm densidade dos grãos mais elevadas. Nos ensaios de simulação da deposição hidráulica realizados nos rejeitos de minério de ferro de Morro Agudo, Ribeiro (2) destaca o peso das partículas (densidade dos grãos) como fator dominante no modelo de seleção. Segundo o autor, neste depósito de rejeitos investigado, observou-se uma predominância de partículas mais grosseiras na porção central do canal, enquanto as partículas mais finas, correspondentes aos minerais de ferro, concentraram-se nas proximidades dos pontos de descarga (Figura 2). Figura 2. Processo de segregação hidráulica dominado pelo peso das partículas (Ribeiro, 2). Diante do padrão atípico de segregação hidráulica observado nos rejeitos de minério de ferro ocorreu a necessidade de realização de ensaios in situ que permitissem uma melhor caracterização do processo de deposição das partículas na região da praia. Nesse sentido, a utilização de ensaios de piezocone, devido a sua grande potencialidade para classificação textural dos materiais em profundidade, mostrou-se uma ferramenta particularmente interessante para avaliação do processo de segregação hidráulica. Adicionalmente, foram realizados ensaios com a utilização de um pequeno cone estático conhecido como

3 penetrologger para determinação de valores de resistência de ponta. 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental de campo contou com a realização conjunta de ensaios de piezocone e com a utilização do penetrologger em diferentes pontos na região da praia de deposição de rejeitos. Adicionalmente, foram coletadas amostras deformadas para adequada caracterização geotécnica dos rejeitos de minério de ferro em laboratório. O equipamento utilizado na realização dos ensaios de piezocone consistiu de um robusto sistema de cravação com acionamento totalmente hidráulico, com capacidade de cravação de 22 kn e força de arrancamento de 2 kn. O processo de ancoragem do penetrômetro foi realizado por meio de dois trados mecânicos helicoidais de centímetros de diâmetro. A robustez do sistema de cravação do penetrômetro representou inclusive uma característica fundamental para execução dos ensaios em virtude da significativa magnitude das resistências de ponta registrada em alguns estratos superficiais de composição granular, em alguns casos superiores a 4 MPa. A Figura 3 apresenta a locação dos pontos adotados para a execução dos ensaios de piezocone na praia de deposição devendo ser destacado que os pontos denominados PraiaCG1 e PraiaCG2 foram locados em distâncias regulares de 2 metros em relação ao ponto central de descarga dos rejeitos (Albuquerque Filho & Gomes, 2). campanha foi motivada pela facilidade de execução dos ensaios possibilitando a investigação de uma área significativamente maior da praia de deposição de rejeitos. Este equipamento pode ser definido como um pequeno cone estático cravado manualmente a uma velocidade constante em 2 cm/s que permite a determinação da resistência de ponta até uma profundidade de 8 centímetros. Posteriormente, a adoção de um dispositivo de armazenamento garantiu grande autonomia para a realização de extensas campanhas de campo (Shanker, 2). O equipamento completo consiste de um jogo de hastes com quatro cones de diferentes diâmetros e ângulos de inclinação de ponta e de um sistema de controle conectado a uma célula de medição de carga (Figura 4). O sistema de controle é composto por uma tela ajustável de LCD (8), um painel de controle (9) e um nível (1). O cone (4) é parafusado na extremidade inferior da haste (3). Além disso, o equipamento pode ser acoplado a um computador através de um cabo porta de comunicação (7). Figura 4. Detalhe do penetrologger. 4 RESULTADOS OBTIDOS 4.1 Caracterização Geotécnica do Rejeito Figura 3. Locação dos ensaios de piezocone. Já a utilização do penetrologger nesta A necessidade de avaliar a variação das características dos rejeitos ao longo da praia de rejeitos motivou a coleta de mostras em dois pontos diferentes da praia de deposição. Assim, foram coletadas amostras a 1 metro do lançamento (amostra 1) e a 2 metros do ponto de lançamento dos rejeitos (amostra 2). Os ensaios de análise granulométrica e para determinação da densidade dos grãos (G s ) foram realizados de acordo com as prescrições das normas NBR 7191 (1984) e NBR 68

4 (1984). A Figura apresenta a curva granulométrica da amostra 2 do rejeito de minério de ferro estudado, permitindo sua posterior classificação (Tabela 1) de acordo com a escala proposta pela NBR 62 (198). Os resultados das curvas granulométricas obtidos nas duas amostras não apresentaram diferenças significativas quanto a sua composição granulométrica. Passante (%) ,E-4 1,E-3 1,E-2 1,E-1 1,E+ 1,E+1 1,E+2 Diâmetro (mm) Figura. Curva granulométrica do rejeito FE1. Tabela 1. Distribuição granulométrica do rejeito FE1. Rejeito Areia (%) Silte (%) Argila (%) FE Adicionalmente foram realizados ensaios para determinação da densidade dos grãos e dos índices de vazios máximo e mínimo nas duas amostras de rejeitos. Todos estes ensaios foram integralmente executados segundo respectivamente as prescrições das normas ASTM D423 (1991) e ASTM D424 (1991). Os valores da densidade dos grãos e índices de vazios máximo e mínimo dos rejeitos obtidos nos ensaios são apresentados na Tabela 2. Os elevados valores de densidade dos grãos obtidos, variando entre 3,84 e 3,88, atestaram a influência das partículas de óxido de ferro na composição mineralógica destes rejeitos. Tabela 2. Parâmetros geotécnicos do rejeito FE1. Amostra G s e min e max 1 3,88,92 1, 2 3,84,91 1, Resultados dos Ensaios de Piezocone Diferentes propostas de classificação textural dos solos amparam-se nas grandezas medidas diretamente nos ensaios de piezocone (resistência de ponta, atrito lateral e poropressão gerada durante a cravação) ou em seus parâmetros derivados. Para avaliação do perfil estratigráfico de depósitos, o parâmetro razão de atrito (FR) tem sido largamente utilizado. Esta grandeza relaciona de forma direta o atrito lateral e a resistência de ponta ao longo da profundidade por meio da expressão apresentada abaixo: fs FR(%) = 1 (1) qc onde: f s representa o atrito lateral e q c a resistência de ponta medidas diretamente no ensaio de piezocone. Robertson & Campanella (1983) amparados por extensas campanhas de ensaios de piezocone em solos sedimentares propuseram a utilização de um ábaco relacionando a resistência de ponta e a razão de atrito para classificação textural dos solos (Figura 6). Figura 6. Proposta de classificação textural dos solos (Robertson & Campanella, 1983). Nesse sentido, buscando avaliar a composição textural e sua conseqüente variação ao longo da seção de estudo desta barragem de rejeitos, a Figura 7 apresenta os resultados de resistência de ponta e razão de atrito dos ensaios realizados na praia de deposição. A utilização da proposta de classificação de Robertson & Campanella (1983) nos resultados destes ensaios permite identificar uma maior concentração de partículas de textura fina nas

5 proximidades da crista da barragem, indicando uma tendência de aumento da resistência de ponta e de diminuição da razão de atrito com o afastamento dos pontos de descarga de rejeitos (crista da barragem). O comportamento observado nos resultados destes ensaios representa um importante indicativo da deposição prioritária das partículas de minério de ferro (menor tamanho e maior densidade dos grãos) em relação aos grãos de sílica, indicando um padrão de segregação dominado pela densidade dos grãos nos rejeitos de minério de ferro. Resistência de ponta (MPa) 1, 1, 1,, Razão de atrito (%) Figura 7. Razão de atrito versus resistência de ponta. Adicionalmente, foram construídos perfis da resistência de ponta e da razão de atrito para indicar que a tendência de segregação observada ocorre ao longo de toda a profundidade influenciando de forma direta os estratos formados na região da praia (Figuras 8 e 9). A construção dos perfis em intervalos de profundidade de metros objetivou garantir uma melhor visualização da tendência de variação dos valores. Resistência de ponta (MPa) Profundidade (m) ,, 1, 1, 2, Razão de atrito (%) Figura 8. Perfis da resistência de ponta e da razão de atrito na praia de deposição (- metros). Resistência de ponta (MPa) Razão de atrito (%) Profundidade (m) ,, 1, 1, 2, 2, Figura 9. Perfis da resistência de ponta e da razão de atrito na praia de deposição (-1 metros). 4.3 Resultados do Penetrologger A necessidade de avaliar a qualidade dos resultados obtidos com a utilização do penetrologger motivou a realização de uma comparação direta de seus valores com aqueles anteriormente obtidos na campanha de ensaios de piezocone realizados na mesma área da barragem (Albuquerque Filho & Gomes, 2). Nesse sentido, a Figura 1 apresenta os perfis conjuntos da variação da resistência de ponta ao longo dos 8 centímetros superficiais na região do ponto por meio das duas técnicas de investigação.

6 Profundidade (cm) Resistência de ponta (MPa) CPTU Penetrologger Figura 1. Resultados dos ensaios de piezocone e penetrologger na região do ponto. A comparação dos resultados indica uma maior uniformidade na variação da resistência de ponta obtida no ensaio de piezocone (CPTU). Inicialmente, pode-se considerar que os picos de resistência observados nos resultados do penetrologger associam-se ao maior controle de velocidade de cravação da sonda do piezocone, proporcionado pelo sistema de ancoragem e aplicação de cargas do penetrômetro mecânico. Entretanto, outros fatores como a diferença da densidade relativa nos pontos ensaios, o diâmetro das ponteiras e das hastes e a conseqüente área de influência em campo atingida por meio das duas técnicas podem se constituir em elementos relevantes para esta variação da resistência de ponta. CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização de ensaios de campo para avaliação do processo de segregação hidráulica em barragens de rejeitos de minério de ferro mostrou-se uma ferramenta bastante promissora. De maneira geral, pode-se afirmar que a utilização de diferentes propostas de classificação textural dos materiais amparadas nos resultados dos ensaios de piezocone e penetrologger permitiram identificar uma tendência de maior concentração de partículas finas nas proximidades da crista das barragens com aumento gradativo do tamanho dos grãos no interior da praia de deposição. Estes resultados evidenciam uma tendência de segregação dominada pela densidade dos grãos (peso das partículas) em conformidade com outros estudos de laboratório e campo realizados anteriormente em rejeitos de minério de ferro (Ribeiro, 2). Entretanto, os resultados obtidos nestas análises não podem ser considerados conclusivos em virtude da diversidade de fatores que podem ainda interferir no processo de segregação hidráulica e da limitação da campanha experimental realizada. A insuficiência de informações relacionadas principalmente à forma, rugosidade e propriedades magnéticas dos grãos impedem a elaboração de uma conclusão definitiva a respeito do processo de segregação dos rejeitos de minério de ferro. Assim, pode-se afirmar que a diversidade de fatores destacadas anteriormente pode interferir de forma direta nas interações partícula-partícula e partículafluido, aumentando a complexidade do processo de seleção e justificando eventuais anomalias encontradas nos resultados. Dessa forma, recomenda-se a ampliação de pesquisas voltadas à aplicação de novas técnicas de ensaios de campo para caracterização geoambiental de rejeitos de mineração, objetivando avaliar principalmente o processo de formação dos depósitos e sua eventual utilização como material constituinte das estruturas responsáveis pela contenção dos rejeitos (barragens e pilhas). REFERÊNCIAS ABNT (198) Rochas e Solos, NBR 62. Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo, 26 p. ABNT (1984) Grãos de Solo que Passam na Peneira de 4,8 mm - Determinação da Massa Específica NBR 68. Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo, 18 p. ABNT (1984) Solo - Análise granulométrica, NBR Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo, 13 p. Albuquerque Filho, L.H. & Gomes, R.C. (2) Avaliação do Comportamento Geotécnico de Barragens de Rejeitos de Minério de Ferro por meio de Ensaios de Piezocone. Revista Solos e Rochas, vol. 28, n 2, p ASTM (1991) Standard Test Method for Maximum Index Density and Unit Weight of Soils Using A Vibratory Table - D423. American Society for Testing and Materials. ASTM (1991) Standard Test Method for Minimum Index

7 Density and Unit Weight of Soils And Calculation of Relative Density - D424. American Society for Testing and Materials. Ribeiro, L.F.M. (2) Simulação Física do Processo de Formação dos Aterros Hidráulicos Aplicados a Barragens de Rejeitos. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, 23 p. Robertson, P.K. & Campanella, R.G. (1983) Interpretation of cone penetration tests. Part I: Sand. Canadian Geotechnical Journal, v. 2, p Shanker R. Cone penetration test at shallow depth in sand. The influence of equipment. M.Sc. Thesis H.E 62. Department of Hydraulics, Delft, The Netherlands, 89 p. Vick, S.G. (1983) Planning, Design and Analysis of Tailings Dams. John Wiley & Sons, New York, p. 369.