ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA CAMADA DE CARVÃO BONITO EM MINAS SUBTERRÂNEAS DE SANTA CATARINA

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1 ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA CAMADA DE CARVÃO BONITO EM MINAS SUBTERRÂNEAS DE SANTA CATARINA Mariana Stein, Sarah R. Guazzelli, André C. Zingano & Jair C. Koppe. UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul RESUMO O projeto dos painéis de lavra em minas de carvão que utilizam câmaras-e-pilares pode ser realizado por meio de métodos empíricos ou numéricos, sendo necessário para tal determinar os parâmetros de qualidade das camadas litológicas que formam o sistema piso- pilar- teto do depósito. Para a aquisição destas informações deve-se realizar um trabalho de caracterização do maciço rochoso, que abrange desde a descrição dos testemunhos de sondagem até ensaios em laboratório. A descrição dos testemunhos deve levar em conta o RQD, espaçamento e qualidade das descontinuidades, enquanto os ensaios em laboratório devem considerar a resistência à compressão uniaxial e triaxial, ensaio de carga pontual diametral e axial ao corpo de prova, bem como a resistência à tração do mesmo. Baseada nestas informações, a qualidade de cada uma das camadas é determinada por meio da classificação geomecânica, que reúne todos os dados coletados referentes à rocha e a litologia a qual ela pertence. De posse de testemunhos de sondagem que foram realizados na região dos municípios de Treviso e Lauro Müller, Santa Catarina, foi feita a classificação geomecânica da camada de carvão Bonito, pertencente à formação Rio Bonito, em diferentes pontos de amostragem. Esse trabalho tem o objetivo de demonstrar a metodologia aplicada para a caracterização geomecânica do maciço, apresentando e discutindo os resultados encontrados, e fazer uma análise da correlação entre esses resultados levando em consideração os diferentes pontos de coleta e as características do maciço nestas regiões. PALAVRAS-CHAVE: Carvão, propriedades geomecânicas, classificação geomecânica. 1 INTRODUÇÃO A mineração de carvão pelo método subterrâneo de câmaras-e-pilares é amplamente utilizada no estado de Santa Catarina devido às características do depósito. A geologia local é constituída de extensas camadas de carvão intercaladas por falhas e outras descontinuidades. Apesar da mineração de carvão em Santa Catarina existir desde o início do século passado, as características geomecânicas de algumas das camadas de carvão permanecem pouco conhecidas. Este trabalho irá tratar de uma camada em específico, a camada Bonito, uma das camadas de carvão da formação Rio Bonito e que possui grandes recursos no estado de SC. Essa camada tem sido pouco pesquisada sob o ponto de vista geomecânico, o que torna a mesma ainda desconhecida, mas esse trabalho procurará demonstrar que existe uma correlação entre os resultados de ensaios já executados e que, ao se juntar todas as informações já coletadas em locais diferentes da região de Treviso e Lauro Müller, a camada Bonito possui um comportamento geomecânico muito similar influenciando diretamente as características do maciço rochoso. O material utilizado nesse estudo faz parte de testemunhos de uma série de furos de sondagem realizados na região que abrange os municípios de Treviso e Lauro

2 Müller, SC. Estes furos foram amostrados em diferentes zonas, que serão aqui distinguidas em cinco. Cada furo teve seus parâmetros de qualidade analisados, como RQD, espaçamento e quantidade de fraturas, para, posteriormente, corpos de provas serem preparados e ensaiados. 2 METODOLOGIA Para determinação da resistência do maciço rochoso é necessário conhecer as características geomecânicas do mesmo, para tal podem ser utilizados diferentes sistemas de classificações geomecânicas. Neste estudo foi utilizada a classificação RMR - Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski (apud Brady & Brown, 1985). Para obtenção dos parâmetros necessários para classificação RMR é preciso coletar as informações de características estruturais do maciço, da ocorrência de água e da resistência à compressão da rocha intacta. Ensaios de laboratório de compressão uniaxial ou triaxial determinam a resistência à compressão de corpos de prova da rocha ou alternativamente pode ser usado o ensaio de carga pontual. 2.1 Caracterização geomecânica Foi realizada a caracterização geomecânica dos furos de sondagem por meio da análise de três propriedades principais: RQD, qualidade e espaçamento de fraturas. O RQD consiste em descrever a qualidade da rocha a partir de testemunhos de sondagem. Ele é definido pela razão da soma dos pedaços de testemunhos de sondagem, pertencentes a uma litologia, com comprimento superior a 10 cm, pelo comprimento total da litologia ou uma seção específica ou ainda pelo comprimento do barrilete de sondagem expresso percentualmente. A qualidade das fraturas representa o grau de rugosidade, abertura e espaçamento entre falhas. É de extrema importância para a classificação, pois influência na resistência do maciço rochoso. O espaçamento entre fraturas indica a separação ou distância média entre as descontinuidades nos testemunhos de sondagem dentro de uma mesma litologia. O espaçamento foi medido em função do comprimento total da camada de rocha no testemunho de sondagem pelo número de fraturas presentes, dentro deste intervalo. 2.2 Ensaios de compressão Depois de feita a descrição das propriedades geomecânicas dos testemunhos, foram preparados e ensaiados os corpos de prova de carvão da camada Bonito. Eles foram utilizados para determinar a resistência da rocha intacta e servirão como um dos parâmetros para a classificação RMR. Dois ensaios foram realizados: ensaio a compressão uniaxial e ensaio a compressão triaxial. Eles têm como objetivo determinar a resistência da rocha e obter as propriedades elásticas da rocha (Módulo de Young, E e Coeficiente do Poisson, ). O ensaio uniaxial foi realizado com base nas normas ASTM D e ASTM D Ele foi executado por meio de corpos de prova cilíndricos de diâmetro NX (54 mm), com uma altura entre 2,5 a 3 vezes o diâmetro. Os corpos de prova foram serrados de forma a possuir faces paralelas com um desvio de no máximo 0,02mm. Durante o ensaio, a velocidade de carregamento foi controlada com uma prensa hidráulica automatizada, variando de 0,5 a 1 MPa/s.

3 O ensaio triaxial foi baseado nas normas ASTM D e ASTM D As características da amostra ensaiada são semelhantes ao ensaio uniaxial, exceto pela altura do testemunho que deve ser de 2 a 2,5 vezes o diâmetro. O ensaio foi realizado com uma prensa hidráulica servo-controlada e com uma câmara de confinamento de amostra, onde a tensão confinante (s3) induzida por um macaco hidráulico, é prédeterminada e exerce uma tensão lateral ao corpo de prova. A tensão principal maior ( ) foi aplicada pela prensa servo controlada. 2.3 Classificação RMR O RMR é baseado nos seguintes parâmetros geomecânicos do maciço rochoso: Resistência a compressão uniaxial da rocha; RQD (%); Espaçamento entre fraturas; Qualidade das fraturas em termos de abertura e preenchimento; Presença de Água. Ajuste decorrente da atitude das descontinuidades para cada tipo de escavação a ser considerada. De posse das informações coletadas sobre a qualidade do maciço, pode-se realizar a classificação RMR, onde se deve indicar um índice para cada parâmetro. Na Tabela I observa-se que cada característica possui um valor atribuído ao seu respectivo índice, ao final somam-se cada um deles para obter o RMR. Tabela I - Classificação RMR de Bieniawski (apud Brady & Brown, 1985) A. Parâmetros de classificação e seus índices Parâmetro Valores Valores baixos, Índice de carga recomendado Resistência > pontual (MPa) compressão rocha uniaxial intacta Compressão 5- > <1 Uniaxial (MPa) 25 Índice RDQ ou RQD* (%) <25 Índice Espaçamento médio (m) > <0.06 Índice Superfície Superfície Superfícies Superfície muito rugosa, levemente planas ou levemente Preenchimento não contínua, rugosa, preenchimento rugosa, >5mm ou Condições das descontinuidades sem separação <5mm ou separação abertura >5mm separação, <1mm, abertura entre <1mm, forte contínua sem levemente 1-5mm intemperismo intemperismo intemperisada contínua Índice Fluxo de água por 10m de galeria (l/min) Sem ocorrência de água < >125 Presença de Razão pressão de água água na junta 0 < >0.5 pela tensão principal Condições gerais Seco Pingos Molhado Gotejamento Fluxo contínuo Índice B. Ajustes para a orientação das descontinuidades em relação a escavação

4 Direção e mergulho das Muito Muito Favorável Fraco Desfavorável descontinuidades favorável desfavorável Galerias Índices Fundações Taludes C. Classificação geomecânica a partir dos índices Escore <20 Classe I II III IV V Descrição do maciço Muito bom Bom Fraca Pobre Muito pobre D. Significado da classificação geomecânica Classificação I II III IV V 20 anos p/15 10 horas p/ minutos p/1 Tempo auto-sustentação / vão (m) 1 ano p/10 m 1 semana p/5 m m m m Coesão (kpa) > <100 Ângulo de atrito interno (graus) > < Critério de ruptura Existe uma grande diferença entre rocha intacta e maciço rochoso no que se refere ao comportamento geomecânico. A rocha intacta é a porção do maciço rochoso sem fraturas nem alterações. Os ensaios de laboratório são realizados com rocha intacta, entretanto a resistência obtida por meio destes ensaios difere da resistência do maciço rochoso (in-situ). Para estimar a resistência do maciço rochoso pode-se utilizar o critério de ruptura de Hoek-Brown (Hoek e Brown, 1997). Para utilizar o critério de ruptura de Hoek-Brown é necessário o conhecimento de três parâmetros: Resistência a compressão uniaxial da rocha intacta; A constante m i determinada por Hoek-Brown; A classificação GSI (Geological Strength Index) introduzido por Hoek (1994) e Hoek et al. (1995). Para a rocha intacta se utiliza o critério de ruptura de Hoek-Brown geral Error! Reference source not found., onde pode-se obter a constante m i pelas características da rocha intacta determinado a partir do ensaio triaxial. Para o caso de rocha intacta, os valores de s e a são 1 e 0,5, respectivamente. σ =σ +σ m σ σ +1, (1) Onde: tensão maior principal; tensão menor principal; ci : tensão de compressão uniaxial; m i : constante para um tipo específico de rocha. s e a são constantes. O GSI (Geological Strength Index) é uma classificação geomecânica que utiliza as feições estruturais do maciço (Hoek e Brown, 1997). O GSI pode ser determinado, também, a partir da classificação RMR, e tem como função estimar a redução da resistência do maciço rochoso em função da resistência à rocha intacta, onde:

5 GSI=RMR 5 (2) Uma vez determinado o GSI, os parâmetros que descrevem a resistência da rocha in-situ podem ser calculados, como sugerido em Hoek-Brown (1997): m =m.exp GSI (3) Onde m b é um valor reduzido da constante mi. Para GSI maiores que 25, o maciço rochoso é de boa qualidade, desta forma estimasse as constantes s e a com as seguintes formulas: s=exp GSI (4) a=0.5 (5) Para GSI < 25: s=0 (6) a=0.65 GSI 200 (7) Assim, determinando as constantes m b, a e s, é possível determinar a resistência in-situ pela equação sugerida por Hoek-Brown, =σ. m +4s a(m 8s).(m 4+s) 2.(1+a)(2+a) σ (8)

6 3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A caracterização estrutural e os ensaios foram realizados para cinco zonas distintas que estão contidas na área que compreende os municípios Treviso e Lauro Müller. Elas foram classificadas em região A, B, C, D e E. Foram utilizados testemunhos de sondagem que amostraram a camada Bonito correspondente a cada região. Estes ensaios foram realizados entre os anos de 1997 e Algumas regiões possuem maior número de corpos de prova do que outras como mostrado na Tabela II, principalmente devido a quantidade de furos realizados e pela qualidade dos testemunhos. Tabela II - Relação das zonas, furos de sondagem e corpos de prova Zona Nº de furos de sondagem Nº de corpos de prova A B C D E Total Análise dos ensaios de compressão Os ensaios de compressão triaxial de carvão foram realizados em 59 corpos de prova. A partir destes ensaios foi gerado um gráfico de dispersão em função da tensão de ruptura maior (σ 1 ), pela tensão de ruptura menor (σ 3 ), ou seja, da tensão confinante, para visualizar alguma possível correlação entre os ensaios (Figura 1).

7 Figura 1 - Tensão de ruptura menor x tensão de ruptura maior. O gráfico da Figura 1 foi gerado com um limite de tolerância de 70%. Para tal observa-se um coeficiente de correlação linear de 0,75, um valor que mostra que as amostras apresentaram um certo padrão de comportamento, com uma tendência de aumento do σ 1 juntamente com o σ 3. É possível observar que em uma mesma tensão de confinamentoo há variações de tensão de ruptura relativamente grandes, isso se deve a heterogeneidade e e anisotropia do comportamento do carvão dentro da área de estudo. Este comportamento é geralmente observado em ensaios de compressão simples ou em menores tensõess confinantes de ensaios triaxiais. A partir desses ensaios triaxiais, por meio da equação (1), determinou-se a resistência a compressão uniaxial dos onze furo de sondagem estudados, o qual é demonstrado por meio de um histograma de freqüência na Figura 2. Figura 2 - Histograma de frequência acumulada da resistência à compressão dos furos de sondagem estudados. A Figura mostra que a média da resistência a compressão para as diferentes áreas em estudo é 30 MPa e que há um desvio padrão de 8,29 MPa. 3.2 Tensão de ruptura x GSI A análise apenas dos valores encontrados nos ensaios de compressão não se mostraram satisfatórios, uma vez que não se pode afirmar que o maciço rochoso irá seguir a mesma tendência que a da rocha intacta quando se observa apenas a tensão de ruptura da mesma. Para poder afirmar que o maciço rochoso, ou seja, a rocha in-situ,

8 terá um comportamento similar ou não a da rocha intacta, foi proposto uma análise do GSI em conjunto com os ensaios realizados. O RMR, diferente dos ensaios de compressão, leva em consideração as propriedades estruturais presentes no testemunho de sondagem. Para cada furo de sondagem existe um RMR relativo ao mesmo. Ele foi determinado com base nas informações coletadas segundo a metodologia apresentada na seção 2.1, 2.2 e 2.3. Ao se obter o valor do RMR, foi possível calcular o GSI pela equação (2). Este parâmetro é de fundamental importância quando se trata de resistência do maciço rochoso, isto porque ele oferece um sistema que estima a redução da resistência do maciço em diferentes condições geológicas (in Hoek-Brown, 1997). A Tabela III mostra as cinco zonas e seus respectivos resultados para GSI. Tabela III - Resultado dos ensaios para a rocha intacta e para o maciço rochoso. Zona Furo Resistência UCS (MPa) Rocha Intacta GSI Resistência (MPa) Maciço Rochoso GSI Resistência (MPa) A B C D E Para cada furo foi feita uma média da resistência uniaxial encontrada (UCS) para se utilizar este dado na equação Error! Reference source not found. e (8). Foi distinguido na Tabela III o GSI da rocha intacta e do maciço rochoso. Esta distinção é realizada pelo fato de que ao se fazer o cálculo da resistência da rocha intacta esta não considera a influência das descontinuidades presentes na litologia. O valor atribuído de 100 é referente a esta suposição. Pode-se perceber que quando se leva em consideração o GSI, reduz o valor da resistência (Figura 3). No caso do maciço rochoso, o GSI foi calculado como exposto na seção 2.4, segundo o critério de Hoek-Brown (1997). Ele foi determinado pelo RMR referente de cada furo de sondagem e ponderou a resistência em função das descontinuidades presentes na litologia analisada.

9 Figura 3 - Comparação dos resultados obtidos. A Figura 4 mostra a relação entre GSI e a resistência do maciço. Para a classificação RMR e, por consequência o GSI. Dos seis parâmetros que devem ser observados para a classificação RMR, quatro se referem a quantidade, qualidade e orientação das descontinuidades. Portanto, as descontinuidades têm influência direta da resistência do maciço rochoso. Em Stein et al. (2010) foi mostrada a anisotropia da resistência da camada de carvão para uma área de mineração apenas. Os resultados de resistência nesse trabalho mostraram forte anisotropia e muito correlacionado com proximidade com uma grande estrutura (falha). Em Zingano (2002), a resistência para a camada Bonito foi estimada em 4.06MPa e em Gonzatti (2007) foi estimada entre 4.08 e 5.7MPa, quando aplicado o critério de Hoek-Brown. Os dados agrupados aqui neste trabalho mostraram um comportamento semelhante aos trabalhos de estimava da camada realizada anteriormente. O valor médio da resistência da camada Bonito, levando em consideração o histórico de ensaios em laboratório e a descrição geomecânico está entre 4 e 5MPa. Os valores máximos e mínimos são 6.68 e 1.69 MPa, respectivamente.

10 Figura 4 - Resistência do maciço rochoso 4 CONCLUSÃO A resistência da rocha intacta da camada bonito apresenta uma característica quase uniforme para a região em estudo, conforme mostrado na Figura 2. Entretanto a resistência da rocha in-situ varia conforme a quantidade e qualidade das descontinuidades. Este aspecto deve-se a ocorrências regionalizadas, como uma possível erosão da cobertura ra a cima da camada causando alivio de tensões no carvão e como conseqüência o fraturamento da camada, a falhas localizadas, diques e outros fatores geológicos. Apesar da tendência dos resultados dos testes de laboratório mostrarem uma tendência de resultados consistente, a resistência da rocha carvão também mostra uma variação dos resultados bastante grande, principalmente, nas tensões confinantes menores. Ficou demonstrada a a importância da caracterização geomecânica do maciço rochoso, pois apenas a realização de ensaios da camada de carvão não fornece as informações necessárias para um projeto adequado de engenharia. A caracterização geomecânica se refere a descrição geomecânica dos testemunhos de sondagem e aos ensaios em laboratório (compressão simples e triaxial). A camada Bonito passa a outro nível de conhecimento, onde ao se juntar todas as informações já coletadas pode-se analisar criticamente os dados e obter um comportamento em função da própria natureza do maciço. Portanto, não se pode afirmar que a camada de carvão Bonito é desconhecida. 5. REFERÊNCIAS BIENIAWSKI, Z. T., 1973, Engineering classification of jointed rock masses. Trans S. Afr. Inst. Civ. Engrs, 15(12):

11 BIENIAWSKI, Z. T.,1974, Estimating the strength of rock materials. J. S. Afr. Inst. Min. Metall., 74(8): BIENIAWSKI, Z. T.,1976, Rock mass classifications in rock engineering. Exploration for Rock Engineering (ed. Z. T. Bieniawski), 1: A. A. Balkema: Cape Town. BRADY, B.H.G.; BROWN E. T., 1985, Rock Mechanics for Underground Mining, George Allen and Unwin Editora, Londres. HOEK, E. Strength of rock and rock masses. ISRM New Journal 2(2), 4-16, HOEK, E.; KAISER, P. K.; BAWDEN W. F. Support of underground excavation in hard rock. 1995, Balkema, Rotterdam. p HOEK, E.; BROWN, E.T., Practical Estimates of Rock Mass Straight, Int. J. Rock 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. HOEK, E.; BROWN, E. T. Failure criterion Consulting Engineer, Vancouver, Canada. Carlos Carranza-Torres, Itasca Consulting Group Inc., Minneapolis, USA and Brent Corkum, Rocscience Inc., Toronto, Canada. ASTM D Standard Practices for Preparing Rock Core as Cylindrical Test Specimens and Verifying Conformance to Dimensional and Shape Tolerances. ASTM D Standard Test Method for Elastic Moduli of Intact Rock Core Specimens in Uniaxial Compression. ASTM D Standard Test Method for Triaxial Compressive Strength of Undrained Rock Core Specimens Without Pore Pressure Measurements. ZINGANO, A.Z., 2002, Modelamento Geomecânico para o dimensionamento de pilares de carvão, Tese de doutorado, PPGEM-UFRGS. GONZATTI, C., 2007, Proposta para a estimativa da resistência à compressão uniaxial in-situ de camadas de carvão com utilização de geofísica, Tese de doutorado, USP-São Carlos.