ESTUDO DA ATENUAÇÃO DE ONDA SISMICA PARA CONSTRUÇAO DE DEPÓSITO DE RESIDUOS INDUSTRIAIS NA PEDREIRA EXPOPEDRAS, CARLOS BARBOSA, RS

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1 ESTUDO DA ATENUAÇÃO DE ONDA SISMICA PARA CONSTRUÇAO DE DEPÓSITO DE RESIDUOS INDUSTRIAIS NA PEDREIRA EXPOPEDRAS, CARLOS BARBOSA, RS Enrique Munaretti, (Departamento de Engenharia de Minas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul), Dr.,Eng. de Minas, Jair Carlos Koppe, (Departamento de Engenharia de Minas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul), Dr., Eng. de Minas/Geólogo, Pedro Julio Schnack, ( PJS Geologia Ltda.), Geólogo, pjsgeologia@bewnet.com.br João F.C.L. Costa, (Departamento de Engenharia de Minas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul), Dr., Eng. de Minas, jfelipe@ufrgs.br RESUMO O aproveitamento econômico de áreas utilizadas pela mineração é um desafio a ser enfrentado no planejamento da lavra e no plano de fechamento de mina. Uma das formas de utilização das cavas geradas na explotação de pedreiras é a possibilidade de sua utilização como depósito de resíduos industriais. Nesse trabalho, é investigada a possibilidade de implantação de um desses depósitos considerando-se o seu desenvolvimento concomitante com a evolução da pedreira. Para tal, a previsão de vibrações causadas pela utilização de explosivos passou a ser considerada como um fator importante para construção do depósito. Por intermédio da determinação de equações de atenuação de ondas sísmicas, foram investigadas as vibrações nas direções onde será construído o depósito de resíduos industriais, na área da Pedreira Expopedras de Carlos Barbosa, RS, de vida útil semelhante à do empreendimento. Posteriormente, foi estabelecido um programa de monitoramento contínuo para que essas vibrações não ultrapassem valores considerados como seguros para a estrutura e estabilidade do depósito de resíduos, além de recomendações técnicas para controle e minimização de vibração sísmica. Palavras-chave: Desmonte, Explosivos, Vibrações, Resíduos. ABSTRACT Mine and closure planning should consider the economical destination of mining areas after mining activities. Industrial waste deposits construction in former quarry pits are one of the possible applications. In this work the possibility to develop one of these industrial waste deposits at the same time of quarry operation is considered. For this situation, the estimate of vibrations developed during blasting should be taken in account in order to preserve the stability of the deposit. The vibration propagation was studied from the blasting point through the area where the waste deposit will be built. A seismic monitoring program needs to be carried out during construction of the industrial waste deposit to avoid that vibrations exceed the recommended values. Key words: Blasting, Explosives, Vibration, Scrap

2 INTRODUÇÃO O aproveitamento econômico de áreas utilizadas pela mineração é um desafio a ser enfrentado no planejamento da lavra e no plano de fechamento de mina. Uma das preocupações ambientais com conotação econômica diz respeito ao que fazer com a cava originada pela lavra. Uma das formas de utilização das cavas geradas na explotação de pedreiras é a possibilidade de sua utilização como depósito de resíduos industriais. Essa possibilidade é investigada nesse trabalho. A instalação e construção desse depósito de resíduos deverá ter vida util aproximadamente igual ao periodo de operação da pedreira onde estará localizado, dessa forma torna-se necessário estudar a atenuação das ondas sísmicas no terreno provocadas pelo desmonte de rocha. Para isso foram consideradas duas direções principais de transmissão de ondas sísmicas, a partir da cava da pedreira e observando-se a localização do futuro depósito de resíduos industriais. O depósito nesse caso será construído com estrutura de concreto onde serão depositados os resíduos. Apesar de não existir um consenso internacional para níveis de vibrações máximas para estruturas residenciais, industriais e, também, depósitos de rejeitos ou resíduos, é aconselhável proceder-se ao monitoramento dos níveis de vibração em diferentes distâncias e pontos do entorno da área a fim de assegurar que os níveis de vibração gerados não irão comprometer as estruturas que serão construidas. O estudo é justificável, pois, se desafia a prever as vibrações que deverão atingir a estrutura e monitorar para que essas mesmas ondas sismicas não ultrapassem valores recomendados por autores como Downding (2000). Foi então possivel determinar equações de atenuação de onda sísmica para diferentes direções a partir de detonações na área alvo do estudo. Definidas as equações de atenuação deverá se proceder a um trabalho de monitoramento e periódico refinamento das equações nos próximos anos durante o funcionamento do depósito e da pedreira. Dessa maneira se terá segurança de que os limites aceitos internacionalmente não sejam ultrapassados durante a vida útil do empreendimento. METODOLOGIA Após levantamento geológico da área e localização da área que receberá o depósito de resíduos, foram definidas as direções que seriam utilizadas para obter-se os dados de vibração necessários para gerar as equações de atenuação. Na execução do monitoramento, o procedimento adotado foi o de registrar a vibração produzida pelas detonações da pedreira por meio do uso de sismografos digitais para captar detonações de altas freqüências e baixa energia. Procedeu-se ao monitoramento em diferentes distâncias e pontos do entorno da área a fim de prever as vibrações que deverão atingir o depósito de resíduos de acordo com as cargas máximas por espera (Q ME ) e distâncias. A seguir, foram determinadas as equações de atenuação de onda sísmica e a respectiva tabela de carga máxima por espera (Q ME ) vs distância para as direções NW e NE entre a área de detonação e a área do futuro depósito de resíduos. Foi realizada uma amostragem de leituras sísmicas para cada direção com a utilização simultânea de até quatro sismógrafos em quatro pontos alinhados segundo as direções pré-determinadas. Para que se eliminasse qualquer possível fator ruído nos testes, foram adotadas sempre as mesmas condições tais como tipo de explosivo, sistema de iniciação, tampão, espaçamento e afastamento e carga máxima por espera. 2

3 LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO A área do depósito de resíduos fica localizada junto a Pedreira Expopedras, Extração Industrial e Comercial de Pedra Ltda. na localidade denominada Desvio Machado, município de Carlos Barbosa, Rio Grande do Sul. O acesso é feito pela RST 470, km 56 (Figura 1). A Figura 2 mostra a vista geral da área da pedreira. Figura 1 Localização do Município de Carlos Barbosa, RS. RESULTADOS Figura 2. Pedreira da Expopedras. Os equipamentos utilizados no monitoramento foram sismógrafos do tipo Instantel Minimate Plus e MiniSeis da WhiteSeis, sendo os geofones enterrados a uma profundidade de 15 cm sempre que possível, ou então fixados firmemente quando em rocha aflorante, nivelados e 3

4 direcionados conforme a NBR Os geofones captaram as velocidades de vibração de partícula nas três direções perpendiculares, longitudinal, vertical e transversal e os dados registrados foram armazenados na memória interna dos aparelhos, sendo posteriormente analisados nos softwares Blastware V8 e WhiteSeis. As duas direções de monitoramento, NW e NE registraram leituras de até 4 pontos de geofones simultaneamente, cujas coordenadas e leituras de velocidades estão registradas na Tabela 1. Tabela 1. Distâncias dos pontos de monitoramento e registros de velocidades obtidos: PPV velocidade máxima de partícula; VT velocidade transversal; VV- velocidade vertical e VLvelocidade longitudinal Teste 1 Teste 2 PONTO COOR DENAD A COORDE NADA DISTÂNCI A X Y (m) VT (mm/s) PPV VV (mm/s) VL (mm/s) DET , NE ,84 12,20 15,00 15,00 NW ,63 38,90 37,80 30,70 NW ,01 44,40 71,90 84,20 DET NE ,94 21,80 5,97 13,20 NE ,44 3,68 4,32 4,06 NE ,59 9,14 7,62 6,60 NE ,44 7,62 3,55 10,16 NW ,95 69,60 44,80 58,00 NW ,35 53,80 41,10 80,5 NW ,49 43,68 14,22 33,52 NW ,21 22,35 9,60 13,20 DET NE ,03 49,00 41,80 53,10 Teste 3 NE ,25 3,95 7,24 6,98 NW ,00 46,10 49,30 58,40 NW ,65 47,75 28,96 46,74 NW ,04 52,32 41,15 65,02 DETERMINAÇÃO EQUAÇÃO DE ATENUAÇÃO DE ONDA SISMICA Para se determinar à equação de atenuação de onda sísmica e assim poder efetuar-se a previsão da carga máxima por espera - Q me para cada direção, utilizou-se a velocidade máxima de partícula (PPV Peak Particle Velocity) e a distância da detonação ao ponto monitorado. A velocidade máxima de partícula é, segundo a norma brasileira NBR ABNT 9653, o parâmetro 4

5 mais significativo no que concerne possibilidade de dano em estruturas. Outro parâmetro chamado Distância Escalonada (DE), é utilizado para calcular a carga máxima por espera Q me e as distâncias para um local especifico da área de detonação (Dowding, 2000). A informação é apresentada na forma de um gráfico de regressão linear obtida segundo as coordenadas de velocidade resultante (VR) para o eixo y e DE para o eixo x (Figura 3). Sabendo-se que a vibração num maciço rochoso se propaga radialmente em todas as direções, existindo, então, correlação entre DE e VR (Equação 1), a reta de regressão é obtida segundo o método dos mínimos quadrados. Desse modo, tem-se DE como a relação entre distância e carga máxima por espera (Q me ), conforme a Equação 2: VR = K * (DE) m (1) DE = d Qme (2) onde: VR é a velocidade resultante; K e m são constantes associadas às variações litológicas e estruturais da geologia local, geometria do desmonte, tipo de explosivos; DE é a distância escalonada determinada pela relação d/(q me 0,5 ) sendo que d é a distância medida em uma linha que passa pelo centro geométrico da detonação e o ponto monitorado; Q me é a carga máxima por espera. Para determinar a equação, utiliza-se como nível de confiabilidade para os resultados o valor maximo de erro de 5%, ou seja, 95% dos resultados previstos estarão dentro da faixa determinada pela equação de atenuação da onda sísmica. Figura 3. Atenuação de onda sísmica. 5

6 Equação de Atenuação de Onda Sísmica: Direção Nordeste (NE) Para a direção NE, ou seja, considerando a geologia e todas as descontinuidades do maciço rochoso nessa direção, foram obtidos os eventos descritos na Tabela 2. Nota-se que uma leitura foi descartada devido a problemas de leitura anômala da detonação. Tabela 2. Valores de PPV e distâncias para a direção Nordeste NE: PPV velocidade máxima de partícula; VT velocidade transversal; VV- velocidade vertical; VL- velocidade longitudinal e Q me carga máxima por espera DIST Ponto PPV (mm/s) Q me (m) VT VV VL (kg) NE1 108,47 21,80 5,97 13,20 131,0 NE 2 213,02 3,68 4,32 4,06 131,0 NE 3 302,11 9,14 7,62 6,60 131,0 NE 4 392,56 7,62 3,55 10,16 131,0 NE 5 144,03 49,00 41,80 53,10 128,3 NE 6 194,25 3,95 7,24 6,98 128,3 Com base nos dados obtidos nos monitoramentos realizados em campo, determinou-se a equação descrita abaixo (Equação 3). A Figura 4 apresenta a regressão linear obtida segundo o gráfico Velocidade Resultante (VR) x Distância Escalonada para a direção NE onde podem ser visualizados os eventos e a reta de regressão associada para erros de 50% ou 5%. Para a definição dos parâmetros necessários para estipular as cargas máximas por espera que poderão ser utilizadas nos desmontes e com base nos dados constantes na Tabela 2, a determinação de uma função de regressão associando VR, d e Q me, pelo método dos mínimos quadrados foi obtida com a seguinte forma: VR = 314,89* (DE) 0,9973 (3) No caso de se desejar efetuar alguma previsão da Velocidade Resultante (VR) para pontos situados a uma certa distância da bancada de desmonte, convém fazer-se uso de uma margem de confiança na estimativa da velocidade de vibração, uma vez que a natureza até certo ponto aleatória das variáveis que interagem no processo faz com que haja flutuação no registro de VR, em torno de um valor médio. Isto é ilustrado no gráfico, onde se percebe um espalhamento de valores lidos de VR em torno de uma reta de regressão. Uma margem de confiança freqüentemente usada é a de 95%, ou seja, para uma estimativa feita para VR, há apenas 5% de chance de que ela seja superada pelo valor medido com sismógrafo a partir da detonação. 6

7 No presente caso, tomando-se então por base os pontos monitorados na direção NE, com um coeficiente de correlação de 0,53 a equação de previsão de atenuação da onda sísmica (VR) com 95% de confiança assume a seguinte forma: VR = 1649,2 * (DE) 0,9973 (4) A partir da equação de atenuação obtida em (4), pode-se então obter os valores esperados para as vibrações segundo diversas cargas máximas por espera. Segundo Siskind (2000), a PPV limite para dano em uma estrutura de concreto poderia ocorrer a partir de 250 mm/s, conforme a Tabela 3. De modo a aumentar ainda mais a segurança, foi admitido nesse trabalho o limite de dano para estrutura de concreto para PPV a partir de 200 mm/s. Vale lembra que a estrutura a ser considerada é um aterro (depósito de resíduos). Tabela 3. Limites de danos em diversas estruturas (Siskind, 2000) PPV Evento (mm/s) 0,254 Percepção humana de vibração 12,7 Limite de dano para casas norte americanas em baixas freqüências 50,8 Limite de dano para casas norte americanas em altas freqüências 127 Limite de dano para estruturas enterradas como dutos e poços 250 Limite de dano para concreto Finalmente, tomando-se a equação de atenuação da onda sísmica para direção NE calculada, e para uma PPV máxima de 200 mm/s, na Tabela 4 são mostrados os valores de carga máxima por espera (Q me ) que poderão ser empregados sem comprometer as estruturas do deposito de resíduos. Nota-se que a menor distância calculada foi de 20 m, o que exigiria uma carga de explosivos de não mais do que 20kg. Para uma distância maior, por exemplo 500 m, seria permitido utilizar até kg de explosivos como Qme. Tabela 4. Carga máxima por espera em kg para direção NE e distâncias mínimas DISTÂNCIA (m) Q me (kg) 20 5, , , , , , , , , , , ,93 7

8 VELOCIDADE RESULTANTE x DISTÂNCIA ESCALONADA 1000 VR = 1649,2x -0,9973 VR (mm/s) VR= 314,89x -0,9973 ρ xy = 0,53 95% 50% 95% 1 1,00 10,00 100,00 d = Q me 0,5 Figura 4. Equação de previsão de atenuação da onda sísmica na direção NE. 19

9 Equação de Atenuação de Onda Sismica: Direção NW A partir dos pontos monitorados descritos na Tabela 1 e do procedimento descrito para se obter as equaçoes 1 e 2, procedeu-se a determinação da equação de atenuação de onda sísmica para a direção NW (Tabela 5). Tabela 5. Valores de PPV e distancias para a direção NW. PPV velocidade máxima de partícula; VT velocidade transversal; VV- velocidade vertical; VL- velocidade longitudinal e Q me carga máxima por espera DIST Q me Ponto PPV (mm/s) (m) (kg) VT VV VL (NW5) 208,63 44,40 71,90 84,20 133,0 (NW6) 134,01 38,90 37,80 30,70 133,0 NW 1 69,84 69,60 44,80 58,00 131,0 NW 2 181,97 53,80 41,10 80,50 131,0 NW 3 191,47 43,68 14,22 33,52 131,0 NW 4 310,79 22,35 9,60 13,20 131,0 NW 7 115,00 46,10 49,30 58,40 128,3 NW 8 160,65 47,75 28,96 46,74 128,3 NW 9 218,04 52,32 41,15 65,02 128,3 Para a definição dos parâmetros necessários para estimar as cargas máximas por espera e com base nos dados constantes na Tabela 5, a determinação de uma função de regressão associando VR, d e Q me, pelo método dos mínimos quadrados para a direção NW, foi obtida com a seguinte forma: VR = 486,2 * (DE) 0,7018 (5) No presente caso, tomando-se então por base os pontos monitorados na direção NW, com um coeficiente de correlação de 0,67 a equação de previsão de atenuação da onda sísmica (VR), obtida por regressão linear, com 95% de confiança assume a seguinte forma: VR = 985,74 * DE 0,7018 (6) A Figura 5 mostra o gráfico de regressão linear, bem como a reta de erro 5% e erro 50%. 20

10 VELOCIDADE RESULTANTE x DISTÂNCIA ESCALONADA 1000 VR= 985,74x -0,7018 VR (mm/s) VR = 486,2x -0,7018 ρ xy = 0,67 95% 50% 95% 1 1,00 10,00 100,00 d = Q me 0,5 Figura 5. Equação de previsão de atenuação da onda sísmica na direção NW. 22

11 A partir da equação de atenuação de onda sísmica (6) e limite de danos para estrutura de concreto com PPV a partir de 200 mm/s, temos para a direção NW os seguintes valores de Carga máxima por espera (Tabela 6): Tabela 6. Carga máxima por espera em kg para direção NW e distâncias mínimas DISTÂNCIA (m) Q me (kg) 20 4, , , , , , , , , , , ,33 Nota-se que a menor distância calculada foi de 20 m, o que exigiria uma carga de explosivos inferior se comparada a Direção NE, ou seja 4,25kg. Para uma distância maior, por exemplo 500 m, seria permitido utilizar até kg de explosivos como Qme. RECOMENDAÇÕES Para se determinar os parâmetros que atenuam as ondas sísmicas que trafegam pelo maciço faz se necessário um estudo mais profundo que pode ser realizado concomitante com o monitoramento da área. Esses parâmetros podem ser: a determinação da carga máxima por espera para as distâncias (pontos) do entorno, desacoplamento correto das cargas (cartuchos), direção de iniciação adequada, burdens (afastamentos) e retilinidade da furação, confinamento, entre outras medidas. Além disso, é recomendado que exista sempre um acompanhamento da sanidade física das futuras estruturas do depósito de resíduos industriais, já que fadiga do material não pode ser prevista com as equaçoes apresentadas nesse trabalho. 23

12 CONCLUSÕES A proposta inicial desse trabalho para construir equações de atenuação de onda sísmica nas direções principais entre a cava da pedreira Expopedras de Carlos Barbosa, RS e o futuro depósito de resíduos industriais foi atingido. A partir de monitoramentos de até quatro sismógrafos simultâneos, foram correlacionadas diversas variáveis como: carga máxima por espera, distância e valor de velocidade de pico de partícula (PPV). Na análise das equações foram observados diferentes valores obtidos para as constantes e para os expoentes das equações, revelando as influências no comportamento da propagação da onda devido, principalmente, às variações da geologia local já que a geometria do desmonte, tipo de explosivos e direção de iniciação permaneceram praticamente constantes nos três desmontes monitorados. Futuramente, além de constante avaliação dessas equações e também para o refinamento da qualidade das previsões são necessárias que as mesmas condições que foram verificadas durante as coletas de dados (tipo de explosivo, sistema de iniciação, etc.), sejam mantidas. A manutenção dos parâmetros de desmonte ou o controle rígido dos mesmos possibilitará que a equação de previsão de atenuação seja aprimorada com monitoramentos futuros das detonações. Além disso, é recomendada uma avaliação periódica das condições das estruturas para que se tenha mais segurança quanto a propriedade de fadiga dos materiais ao longo de um período extenso, o que não pode ser previsto por monitoramento sísmico e equações matemáticas, mas somente por inspeção visual ou microscópica das estruturas. 24

13 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS Guia para avaliação dos efeitos provocados pelo uso de explosivos nas minerações em áreas urbanas: NBR 9653:2005, São Paulo, 2005, 9p. DOWNDING, C. H., (1985) Blast Vibration Monitoring and Control, Northwest University, Ontario, CANADA, 297p. INSTANTEL, (1995) Minimate Operator Manual, Instantel Inc., Kanata, Canadá, 81 p. SISKIND, D. E., (2000) Vibrations from Blasting, ISEE, 1. ed. Cleveland, OH, USA, 120p. WHITE SEISMOLOGY, (2003) MiniSeis Digital Seismograph Operating Manual, Joplin, Missouri, 28 p. 25