TÉCNICA DO DESMONTE ESCULTURAL UTILIZANDO CORDEL DETONANTE DE ALTA GRAMATURA EM ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM - PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007 T100 A01 TÉCNICA DO DESMONTE ESCULTURAL UTILIZANDO CORDEL DETONANTE DE ALTA GRAMATURA EM ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS Ricardo Daniel da SILVA Engenheiro de Minas Britanite/IBQ Indústrias Químicas Ltda. Wilson José ALVARES Técnico de Mineração Britanite/IBQ Indústrias Químicas Ltda. RESUMO As técnicas de desmonte escultural mais utilizadas, apesar de todos os cuidados durante o carregamento e com a relação kg/m 2, ainda geram ondas de choque que causam danos ao maciço rochoso remanescente. O desmonte escultural com emprego do Cordel Detonante de Alta Gramatura tem como princípio a preservação da rocha remanescente em sua totalidade, reduzindo de forma acentuada os processos de reativação de estruturas geológicas e a instauração de quebras mecânicas. ABSTRACT The most used techniques of perimeter blasting, despite all care during loading and with the Kg/m 2 relation, still create shock waves that cause damages to the remaining rock. The perimeter blasting with the use of High Core load Detonating Cord has, as principle, the entire preservation of the remaining rock, widely reducing the cracking and the over breaks. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 1

2 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, a técnica de detonação de rochas tem sofrido um desenvolvimento impressionante. Entre outros ocupam destaque os métodos de detonação controlada. Um destes métodos, o pré-fissuramento, tem merecido de nossos empreiteiros de obras atenção e interesse. A detonação controlada é uma das ferramentas imprescindíveis para compatibilizar o desmonte com explosivos e o meio ambiente. É o toque de acabamento na arquitetura do desmonte de rochas. No passado, a maior preocupação era a de se conseguir uma superfície final estética sem se ater a outros aspectos mais importantes. O pré-fissuramento foi à técnica de desmonte escultural mais adotada no Brasil em construções de estradas, barragens e desenvolvimento de taludes, com início dos trabalhos por volta de 1966, em diferentes obras. Nos trabalhos mais recentes podemos citar as escavações dos túneis de adução e rebaixo da Casa de Força do Complexo CERAN/RS (Companhia Energética Rio das Antas) e a abertura dos túneis da Mineração Jacobina/BH. O desmonte escultural, também chamado de detonação controlada, é a arte de reduzir as irregularidades produzidas na rocha nos limites da escavação ao se usar explosivos. A finalidade principal desta técnica é então de diminuir o ultra-arranque (back-break) e evitar as pontas (under break), cavidades (over break). O resultado da aplicação do desmonte escultural é uma face regular, bem cortada e de melhor aspecto estético. Neste trabalho serão comparados os métodos tradicionais de carregamento com explosivo em relação à utilização do cordel detonante de alta gramatura, através de aspectos teóricos e práticos que nos permitem chegar a algumas conclusões de real importância com relação aos impactos ambientais e a otimização do ciclo produtivo. 2. TÉCNICAS DE DESMONTE CONTROLADO 2.1. PRÉ-FISSURAMENTO Consiste na detonação de uma linha de furos paralelos e co-planares ao longo da superfície de corte que se quer criar, com carga explosiva controlada para causar o mínimo possível de vibrações e/ou trincas no maciço rochoso. Com isso de um lado temos a rocha a ser detonada posteriormente em melhores condições de propagação da energia do explosivo e do outro lado a rocha remanescente com o mínimo de trincas que registrará boas condições de estabilidade. Basicamente temos que aplicar, através da detonação instantânea das cargas explosivas, esforços com intensidade tal que a resultante da compressão seja menor que a resistência à compressão da rocha, mas que a resultante de tração seja maior que a resistência à tração desta rocha [1]. A perfuração para o pré-fissuramento deve ser bem alinhada e muito bem embocada para que possa ter um perfeito paralelismo entre os furos, condição fundamental para o total aparecimento da fenda de corte. Os explosivos utilizados neste tipo de detonação devem ter baixa expansão gasosa para, desta forma, evitar pelo escape dos gases o aparecimento excessivo de trincas em direções outras que não a desejada. A carga explosiva deve ser aplicada à razão de carga de 200 a 500 gramas por metro quadrado de parede de rocha a pré-fissurar. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 2

3 Quanto à iniciação dos furos podemos dizer que esta deve ser necessariamente instantânea para reforçar a combinação dos esforços mecânicos gerados em cada furo. Caso haja limitação de carga máxima por espera, em face de problemas de vibrações, pode-se empregar o retardamento com a restrição de que onde estes forem ser aplicados deveremos evitar grandes defasagens no tempo FOGO DE ACABAMENTO OU DESMONTE ESCULTURAL O objetivo básico do desmonte escultural, muitas vezes definido como fogo de acabamento, é o mesmo que citado na técnica de pré-fissuramento, ou seja, criar uma superfície bem acabada, com um mínimo de trincas na rocha remanescente para lhe conferir boas condições de estabilidade. A diferença é que nesta técnica de desmonte escultural a detonação de acabamento é feita no final da escavação do maciço. Consiste fundamentalmente em uma detonação instantânea, com cargas controladas, aproveitando ao máximo a combinação dos esforços mecânicos gerados em cada furo para abrir uma fenda plana e bem definida e ao mesmo tempo movimentar a massa de rocha em frente a esta. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Para entender a técnica de desmonte escultural deve-se entender a pressão que o explosivo detonado gera no furo, a distribuição dessa pressão em todos os lados do furo e a massa de rocha circundante. No desmonte escultural, dentre as características do explosivo, a mais importante seria a pressão de detonação, que não deve atingir valor muito alto. Como pressão de detonação é diretamente proporcional à densidade do explosivo e ao quadrado de sua velocidade de detonação, é evidente a importância da velocidade na escolha de um explosivo adequado ao desmonte escultural [2] [3] CÁLCULO DA PRESSÃO DE DETONAÇÃO NO FURO PD = ) 2 ( 10 3 D ( e e X VOD X X D f 8 ) 2,6 ρ Carga Desacoplada (2) ( ) D ρ e e VOD Df PD = 8 (% C) 2,6 Carga Desacoplada e Espaçada (3) XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 3

4 Onde: PD = Pressão de Detonação no Furo (MPa); ρe = Densidade do Explosivo (g/cm³); VOD = Velocidade de Detonação do Explosivo (m/s); De = Diâmetro do Cartucho (mm); Df = Diâmetro do Furo (mm); %C = Proporção Longitudinal da Carga do Explosivo com o Comprimento do Furo CÁLCULO DA ENERGIA QUE CADA CARGA REPRESENTA AWS (Absolute Weight Strength): energia gerada em calorias por cada grama de explosivo no furo. Valores fornecidos em catálogos em cal/g W (Potência do Explosivo no Furo): kcal/s W = 0,5067 x D e x ρ x Onde: 2 E x VOD (4) De = Diâmetro do explosivo (pol) Ρ = Densidade do explosivo (g/cm 3 ) E = Energia termoquímica do explosivo (Kcal/kg) VOD = Velocidade de detonação do explosivo (m/s) A velocidade de detonação poderá ser determinada em campo ou extraída de catálogos CÁLCULO DA ZONA DE DANO [4] [5] 0,021σ PPV mínima = 1 Vp ρr (5) T V P PPVcrítica = σ E Onde: PPV Critico = Velocidade Máxima de Partícula Suportada pela Rocha antes do rompimento por tração. (mm/s); PPV mínimo =Velocidade mínima de Partícula causadora de extensão e dilatação de fraturas preexistentes (mm/s); σ T = Resistência a tração da rocha. (MPa); V p = Velocidade de propagação da onda primária (m/s); E = Modulo de Young (Gpa); σ 1 = Tensão principal maior na ruptura estimada para rocha intacta (Pa); ρ R = Densidade da rocha intacta (g/cm 3 ); Φ l R = Φ 0 tan H PVS K arctan R0 R0 α (6) (7) XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 4

5 Onde: PVS = Módulo do Vetor Velocidade de Vibração de Partícula Resultante (m/s); l = Razão linear de carregamento (kg/m); H = Comprimento da carga (m); R 0 = Distancia horizontal do centro da carga ao transdutor (m); Φ = Ângulo em radianos (Ângulo entre o furo e as Radiais geradas pela Detonação; K e α = Constantes do local Caso os furos do desmonte escultural sejam ligados junto com os de produção devese adotar uma diferença de tempo entre os furos de produção mais próximos de no mínimo 200 ms [6] [7]. O desmonte escultural originalmente se realiza entre classes de furos desde 1 ¾ de diâmetro e profundidade a partir de 1,5 m. O espaçamento dos furos do desmonte escultural depende do diâmetro do furo e da geologia da rocha. Rochas altamente fraturadas requerem espaçamentos mais próximos que uma rocha maciça. Um bom ponto de partida é usar 0,560 Kg de explosivos por metro quadrado de superfície da parede do desmonte escultural. A partir da equação do espaçamento é possível obter a Tabela 1, como base de referência ou ponto de partida, pois em cada situação devemos levar em conta as situações do local (condições finais da parede) e a função que deve cumprir a conformação final da bancada. Equação fundamental do espaçamento para desmonte escultural [8]: S= Df (Pb+T) (8) T Onde: Pb = Pressão de Detonação no Furo (psi) Df = Diâmetro do furo (pol) S = Espaçamento entre furos (pol) T = Resistência à tração da rocha (psi) Diâmetro do furo Explosivos (Kg/m) Espaçamento (m) 1 ½ 0,120 0,3 0,5 1 ¾ 0,170 0,3 0,5 2 0,260 0,5 0,6 2 ½ 0,350 0,6 0,8 3 0,510 0,6 0,9 3 ½ 0,750 0,6 0,9 4 0,900 0,9 1,5 5 1,350 0,9 1,5 6 1,950 1,2 1, ,5 2,1 TABELA 1 - Diâmetro do Furo x Quantidade de Explosivos x Espaçamento XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 5

6 Existem vários métodos para se realizar desmonte escultural. Atualmente, o uso de cordel detonante com alta gramatura tem sido a melhor alternativa, tanto técnica quanto econômica. Para a otimização dos resultados foi desenvolvida a nova linha Brita cord com gramaturas de 20 a 100, conforme a Tabela 2. Tipos NP 20 NP 40 NP 60 NP 80 NP 100 Carga linear (g/m) 20 a a a a a 104 Diâmetro Externo (mm) 6,0 8,5 9,1 11,3 12,2 Resistência à tração (kgf) Velocidade de Detonação (m/s) 6800 (mínima garantida) TABELA 2 - Linha Brita cord Os furos de desmonte escultural devem ser executados com grande precisão, para garantir o perfeito paralelismo entre eles, condição fundamental para o sucesso do trabalho. As características das rochas e do explosivo ditam danos além da face estética. Assim sendo, os furos do desmonte principal, vizinhos ao desmonte escultural, não devem promover danos além da zona de danos do desmonte escultural. O pré-fissuramento não diminui os níveis de vibração e até mesmo pode causar maiores níveis do que a detonação principal [9] [10]. Hoje esta técnica já é bastante difundida entre nós em minerações e obras de pequeno e grande porte. Dentre as vantagens de se utilizar o desmonte escultural podemos citar: - menor consumo de concreto em barragens; - economia e segurança em conseqüência da diminuição dos chocos ; - minimização da diluição de minério de baixo teor em minas subterrâneas EXEMPLO 1: 4. APLICAÇÃO A seguir tem-se um comparativo realizado na escavação de um túnel de 17,48 m 2 utilizando cordel NP 10, Anfomax e cordel NP60. Dados Técnicos Tipo de rocha: Minério e/ou estéril Comprimento: 57 metros Área da seção: 17,42 m 2 Profundidade dos furos: 3,85 metros Número de furos no contorno: 16 Espaçamento: 0,70 metros XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 6

7 Materiais Quantidade 16 cartuchos Explosivo Ibegel 1 1/2 X 16 Explosivo Anfomax Brita Cord NP 10 Brinel Túnel 6,0 m CARREGAMENTO 1 Furos do Contorno: Carga de fundo: 1 cartucho de Ibegel 1 1/2 X 16 Carga de coluna: Anfomax + Brita Cord NP 10 Iniciação: Brinel Túnel 6,0 m 75 kg 64 metros 16 peças Furo Típico 1 Materiais Quantidade Explosivo Ibegel 1 1/2 X cartuchos Brita Cord NP metros Brinel Túnel 6,0 m 16 peças CARREGAMENTO 2 Furos de Contorno: Carga de fundo: 2 cartuchos de Ibegel 1 ½ x 16 Carga de coluna: Brita Cord NP 60 Iniciação: Brinel Túnel 6,0 m Furo Típico 2 XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 7

8 Velocidades de Detonação Consideradas: Explosivo VOD(m/s) Ibegel 1 ½ e 1 ¼ ANFO 3500 Cordel NP Explosivo Diâmetro do furo (mm) Acoplado (Mpa) Desacoplado (Mpa) Desacoplado e Espaçado (Mpa) Ibegel 1 ½ Ibegel 1 ½ Ibegel 1 ¼ Ibegel 1 ¼ ANFO (60% carreg) ANFO (80% carreg) NP NP TABELA 3 Cálculo da Pressão de Detonação no Furo Explosivo AWS (cal/g) Total de Energia (kcal) % em relação ao NP 60 Ibegel 1 ½ ,52 278,31 Ibegel 1 ¼ ,80 166,39 ANFO (60% carreg) ,50 672,58 ANFO (80% carreg) ,68 911,32 NP 60 (furo 45mm) ,36 - TABELA 4 Energia AWS Explosivo W (kcal/s) % em relação ao NP 60 Ibegel 1 ½ ,633 5,21 Ibegel 1 ¼ ,578 7,49 ANFO (60% carreg) ,202 10,56 ANFO (80% carreg) ,364 7,52 NP 60 (furo 45mm) ,205 - TABELA 5 - Potência do explosivo no furo (W) Explosivo Raio da Zona de Dano Crítico (m) Calculado Raio da Zona de Dano Mínimo (m) Calculado Raio da Zona de Dano Crítico (m) Medido em Campo Diferença Ibegel 1 ½ 0,50 1,21 0,79 0,47 Ibegel 1 ¼ 0,52 1,15 0,65 0,58 ANFO (60% carreg) 1,55 2,43 1,62 0,81 ANFO (80% carreg) 1,70 2,55 1,83 0,72 NP e 45 mm 0,06 0,11 0,09 0,02 TABELA 6 - Cálculo da zona de dano XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 8

9 5. CONCLUSÕES Os resultados e comparações ao utilizar o Brita Cord NP60 no desmonte escultural, podem ser sintetizados nos seguintes aspectos: Melhoria na qualidade do corte final da rocha, ou seja, houve um melhor acabamento na seção do túnel após a utilização do sistema NP60 nos furos de contorno; Menor custo em R$/m 2 por utilizar menor quantidade de explosivo encartuchado e/ou ANFO; Maior uniformidade no carregamento; Diminuição no índice de overbreak; Maior agilidade no carregamento; Menor tempo no ciclo diário; Menor vibração no maciço rochoso comprovado através de captações sismográficas; Melhoria no layout da seção da galeria; Melhoria significativa na segurança após o desmonte. Desmonte Escultural; Cordel Detonante; Explosivos. 6. PALAVRAS-CHAVE 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ADASON, WR & Bailey (1999) Use of Blast engineering Technology to Optimize Drilling and Blasting Outcomes at the Olympic Dam Underground Mine, In: Proceeding, 6 th International Symposium for Rock fragmentation by Blasting, Johannesburg, África do Sul, USA, p [2] ANDERSON, D.A Reil, LW (1988) - Measuring fragmentation of a Blast Using Ground Vibration, In: Research Proceedings, 14 th Annual Conference on Explosives % Blasting Technique, Anahein, CA, USA, p [3] CROSBY, W.A (1998) Drilling and Blasting in Open Pit and Quarries, Mining Resourse Engineering Ltd. MREl, Kingston, Ontario, Canada, v.1, 326 p. [4] DOWDING, C.H (1985) Blast Vibration Monitoring and Control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA 297 p. [5] HARTMAN, H.L(1987) - Introductory Mining Engineering, John Wiley & Sons, Inc, New York, USA, 633 p. [6] HOPLER, R.B (1998) ISEE Blaster s Handbook, International Society of Explosives Engineers, Cleveland, Ohio, USA, 17 th ed, 742 p. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 9

10 [7] KONYA, C.J & DAVIS, J. (1978) The Effcts of Stemming Consist on Retention in Blastholes, In: General Proceeding, 4 th Annual Conference on Explosives & Blasting Technique, New Orleans, LA,USA, p [8] KONYA, C.J, BRITTON, R.& LUKOVIC, S. (1987) - Charge Decoupling and its Effects on Energy Release and Transmission for One Dynamite and Water Gel Explosives, In: General Proceedings, 13 th Annual Conference on Explosives & Blasting Technique, Miami, Florida, USA, p [9] LANGEFORS, U.KILSTROM, B. (1963) The Modern Technique of Rock Blasting, John Wiley & Sons, Inc: New York, USA, and Almqvist & Wiksell, Stockholm, Sweden, 425p. [10] MOHANTY, B.& Yang, R. (1997) Blasting Vibrations and Explosives Perfomance, In: Research Proceedings, 23 rd Annual Conference on Explosives & Blasting Technique, Las Vegas, NV, USA, p XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 10