ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina AVALIAÇÃO DA DENSIDADE IN SITU DE UMA BARRAGEM DE REJEITOS DE MINERAÇÃO DE FERRO COM O PENETROLOGGER Luiz Heleno Albuquerque Filho Luís Fernando Martins Ribeiro Eleonardo Lucas Pereira Romero César Gomes PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 AVALIAÇÃO DA DENSIDADE IN SITU DE UMA BARRAGEM DE REJEITOS DE MINERAÇÃO DE FERRO COM O PENETROLOGGER Luiz Heleno Albuquerque Filho ( 2) Luís Fernando Martins Ribeiro ( 3) Eleonardo Lucas Pereira ( 4) Romero César Gomes (3) RESUMO A forma mais comum de disposição dos rejeitos úmidos de mineração consiste no seu lançamento direto em reservatórios constituídos por diques ou barragens. Por razões técnicas e econômicas, o alteamento destas estruturas é normalmente realizado com o próprio rejeito, através da técnica do aterro hidráulico, com baixo controle executivo no processo. Nesse sentido, as diferenças nas características e no processo de lançamento dos rejeitos implicam a formação de barragens com variado comportamento geotécnico. Assim, o desenvolvimento deste trabalho relaciona-se à aplicação do penetrologger na determinação de parâmetros de resistência e densidade e no controle executivo dos alteamentos das barragens de rejeitos de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero. Adicionalmente, foram realizados ensaios de piezocone (CPTU) nas referidas áreas para a avaliação dos resultados do equipamento e determinação de propriedades geomecânicas dos depósitos. PALAVRAS-CHAVE: Penetrologger, densidade de rejeitos de mineração, aterros hidráulicos, segregação hidráulica 2 Professor Auxiliar, Mestrando em Geotecnia, Escola de Minas, UFOP 3 Professor Adjunto, Escola de Minas, UFOP 4 Mestrando em Geotecnia, Bolsista do CNPq, Escola de Minas, UFOP 3023

3 1. INTRODUÇÃO Os rejeitos são materiais remanescentes do processo de beneficiamento e concentração de minérios em instalações industriais. Suas características granulométricas encontram-se diretamente dependentes do tipo de minério bruto lavrado e do processo industrial ao qual os mesmos são submetidos. Assim, sua composição pode abranger uma ampla faixa de materiais variando desde solos arenosos não plásticos até solos de granulometria muito fina. Além disso, em função do processo de beneficiamento, estes rejeitos também podem ser encontrados em condição ativa ou inerte. A crescente produção destes resíduos, impulsionada pela lavra de jazidas com baixo teor metálico, tem acentuado a necessidade de áreas cada vez maiores para sua disposição. As atuais estruturas de contenção de rejeitos (barragens e pilhas), mesmo executadas com maior controle, ainda tendem a gerar alguns impactos ao ambiente. Dessa forma, o grande desafio atual das empresas de mineração consiste em minimizar os impactos ao meio ambiente e reduzir os riscos de acidentes através da adoção de projetos mais otimizados. Assim, a forma mais comum de disposição dos rejeitos de mineração consiste no seu lançamento direto em reservatórios contidos por diques (áreas com pequena inclinação) ou barragens (vales). Estas estruturas são normalmente executadas a partir de um dique de partida construído de terra compactada ou enrocamento, com seus alteamentos sendo realizados gradativamente com a utilização do próprio rejeito através da técnica do aterro hidráulico. Entretanto, a utilização de rejeitos como material de construção encontra-se condicionada à avaliação de suas características de suporte e drenabilidade. Além disso, mostra-se fundamental o controle rigoroso das técnicas e métodos de disposição para garantia da estabilidade, controle de poluição e capacidade de armazenamento destas estruturas de contenção. Adicionalmente, o processo de segregação natural das partículas do rejeito na praia de deposição pode tornar-se um fenômeno bastante complexo em face das diferentes densidades dos minerais presentes. Este processo de segregação hidráulica constitui um fenômeno bastante comum nas minerações de ferro em virtude da interação de diferentes granulometrias e densidades dos grãos de sílica e dos óxidos de ferro presentes no rejeito (Ribeiro, 2000). Devido a esta grande variabilidade de fatores, torna-se difícil avaliar de forma precisa o comportamento destas estruturas. Entretanto, algumas metodologias de controle de qualidade de execução de barragens de rejeitos têm sido propostas estabelecendo correlações entre os parâmetros de resistência e a densidade dos depósitos (Espósito, 2000). Baseado nestas metodologias, pode-se verificar as mudanças no comportamento da estrutura e quantificar as variações nos parâmetros geotécnicos durante a formação do depósito, a partir da densidade in situ. Neste contexto, o desenvolvimento deste trabalho relaciona-se à avaliação da aplicabilidade do penetrologger na determinação de parâmetros de resistência e densidade e no controle executivo dos alteamentos de barragens de rejeitos. Assim, busca-se otimizar o processo de controle das empresas mineradoras, em substituição às técnicas convencionais do frasco de areia e cilindro de cravação. 3024

4 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1 Descrição do Equipamento O penetrologger pode ser definido como um pequeno cone estático que permite a determinação da resistência de ponta até uma profundidade de 80 centímetros. Este equipamento foi desenvolvido especialmente para medir a resistência à penetração do solo de uma sonda de pequenas dimensões cravada com uma velocidade aproximadamente regular. A incorporação de um dispositivo de armazenamento de dados dos ensaios garantiu grande autonomia para a realização das campanhas de campo (Shanker, 2000). As principais vantagens do penetrologger consistem no baixo custo e na facilidade de operação e transporte do equipamento. Sua cravação é realizada de forma manual, dispensando os complexos sistemas com aparelhos mais sofisticados. Durante todo o ensaio, a velocidade de penetração é regularmente controlada, podendo ser mantida em 2 cm/s através de uma placa de reflexão. 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 1). O sistema de controle é composto por uma tela ajustável do LCD (8), um painel de controle (9) e um nível (10). O penetrologger é alimentado por duas baterias do tipo AA. O cone (4) é parafusado na extremidade inferior da haste (3). O equipamento pode ser acoplado a um microcomputador através de um cabo porta de comunicação (7). Figura 1 Vista geral do penetrologger Durante a realização do ensaio, o software utilizado permite a exposição gráfica e numérica dos dados no computador através de sensores ultra-sônicos internos instalados no equipamento. Assim, pode-se acompanhar a variação da resistência à penetração do solo em tempo real. Em virtude da simplicidade do equipamento, diversos autores reforçam a importância das campanhas de calibração em laboratório e campo para melhorar a qualidade dos resultados obtidos. Este procedimento justifica-se pela influência de diversos fatores sobre os resultados, tais como, a própria densidade do material, o teor de umidade, a estrutura e a textura do solo e o teor de matéria orgânica presente (Shanker, 2000). 3025

5 2.2 Programa Experimental O programa experimental compreendeu a realização de ensaios de laboratório e de campo em amostras de um rejeito de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais. Os ensaios objetivaram a caracterização geotécnica, a avaliação da resistência e a determinação da densidade do rejeito (denominado FE1) em diferentes pontos da praia de deposição de uma barragem. A barragem de rejeitos escolhida para o estudo apresenta como principal característica a execução dos alteamentos pelo método da linha de centro através da técnica do aterro hidráulico (Figura 2). Lagoa de Decantação Praia de Rejeitos Linha de Descarga Rejeito Granular Dique de Partida Fundação Alteamentos Dreno Interno Figura 2 Método de alteamento pela linha de centro (Albuquerque Filho, 2003) Ensaios de Laboratório A caracterização geotécnica das amostras coletadas nas camadas superficiais da praia de deposição incorporou a execução de ensaios para determinação da granulometria, densidade dos grãos e índice de vazios máximo e mínimo. Todos os ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto Ensaios de Campo A campanha de investigação de campo compreendeu a realização de ensaios com o penetrologger e piezocone (CPTU) e determinação da densidade in situ. A locação destes furos objetivou avaliar a variação de resistência e densidade ao longo das seções da praia de deposição (área experimental) e conseqüentemente quantificar a segregação hidráulica de partículas gerada pelo processo de lançamento dos rejeitos no interior do reservatório. O seccionamento da área experimental foi realizado através da marcação de uma grande malha quadrangular composta por 5 seções longitudinais e transversais ao eixo da crista da barragem. As seções longitudinais foram espaçadas em 15 metros a partir da crista e as seções transversais distantes 50 metros entre si (Figura 3). Crista da Barragem de Rejeitos Seção 1 Seção 2 Seção 3 Seção 4 Seção 5 Seção D Seção A Seção B Seção C Figura 3 Seções de investigação ao longo da praia de rejeitos 3026

6 3. RESULTADOS 3.1 Caracterização Geotécnica dos Rejeitos Os ensaios de granulometria e densidade dos grãos (G s ) foram executados de acordo com as normas técnicas padronizadas no Brasil. A Figura 4 ilustra a curva granulométrica obtida para o rejeito FE1. Figura 4 Curva de distribuição granulométrica do rejeito FE1 Baseado nas características granulométricas do rejeito FE1, a Tabela 1 apresenta a classificação textural do material. Assim, pode-se classificar este rejeito como um material areno-siltoso, com pequena presença de finos. Estudos complementares realizados na fração fina indicaram comportamento não-plástico do material. Tabela 1 Distribuição granulométrica do rejeito FE1 Rejeito Areia (%) Silte (%) Argila (%) FE Na determinação da densidade dos grãos e dos índices de vazios máximo e mínimo buscou-se quantificar as variações ao longo da praia de rejeitos. Este procedimento objetivou avaliar também a influência dos efeitos da segregação hidráulica ao longo da praia de rejeitos. Assim, foram coletadas amostras a 1 m e a 20 metros de distância da região de lançamento dos rejeitos. Estas amostras foram então denominadas 01 e 02, respectivamente. As densidades dos grãos variaram entre 3,84 e 3,88 em função da predominância do óxido de ferro, justificando o elevado valor de Gs obtido. Os valores máximos e mínimos dos índices de vazios foram obtidos de acordo com as normas da ASTM. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos nestes ensaios na análise do rejeito FE1. Tabela 2 Parâmetros geotécnicos do rejeito FE1 Amostra G s e min e max 01 3,88 0,92 1, ,84 0,91 1,

7 3.2 Ensaios de Campo A avaliação do estado de densidade e dos parâmetros de resistência de solos granulares através de ensaios de penetração é normalmente realizada a partir de correlações com a resistência de ponta obtidas em caixas de calibração (Robertson & Campanella, 1983). A necessidade de campanhas experimentais ampara-se na comprovação dos efeitos da profundidade e do nível de tensão sobre os valores de resistência de ponta medidos, dificultando a avaliação destes parâmetros. Em cada ponto foram executadas 3 penetrações para posterior determinação dos valores médios de resistência de ponta do penetrologger (p L ) ao longo da profundidade. A Figura 5 apresenta a resistência de ponta média obtida na interseção 1D. Profundidade (cm) Resistência de Ponta (MPa) Figura 5 Perfil da resistência de ponta média na interseção 1A A Tabela 3 apresenta os resultados do peso específico natural (γ), teor de umidade (w) e peso específico seco (γ d ) obtidos nos pontos através do cilindro de cravação. Tabela 3 Densidades obtidas pelo cilindro de cravação Ponto γ (g/cm 3 ) w (%) γ d (g/cm 3 ) 1A 1,68 3,90 1,62 1B 1,63 6,47 1,53 1C 1,72 2,91 1,68 1D 1,54 1,46 1,52 2A 1,78 4,29 1,71 2B 1,58 1,35 1,56 3A 1,64 7,58 1,52 3B 1,57 3,46 1,52 3C 1,68 7,41 1,56 4A 1,92 15,22 1,67 4B 1,62 5,50 1,53 5A 1,77 7,58 1,64 5B 1,58 3,73 1,53 5C 1,82 8,34 1,

8 4. DISCUSSÃO 4.1 Avaliação do Estado de Densidade A relação direta entre o estado de densidade e a resistência de ponta dos solos granulares permitiu identificar um grupo de pontos na área experimental com valores de peso específico seco próximos. Nesse sentido, a Figura 6 apresenta a resistência de ponta (p L ) ao longo da profundidade, construída a partir destes pontos Resistência de Ponta (MPa) Profundidade (cm) A 1C 3A 3B 5B Figura 6 Agrupamento dos pontos de densidades s A identificação dos valores de resistência de ponta nos 20 centímetros superficiais do terreno, correspondente ao estrato investigado pelo cilindro de cravação, atesta a mesma tendência de variação dos valores. Dessa forma, através da utilização de um gradiente de resistência de ponta (G), foi possível determinar uma equação relacionando esta grandeza com o peso específico seco do material (γ d ) e com o índice de densidade (I D ). Este procedimento foi baseado em análises realizadas em solos granulares de diques holandeses (Karky, 2000). Assim, são apresentados, nas figuras 7 e 8, as curvas de tendência para estas duas propriedades. 17,0 16,5 Peso Específico Seco 16,0 15,5 15,0 y = 0,0352x + 14,8 14, Gradiente da Resistência de Ponta Figura 7 Correlação entre o peso específico e o gradiente da resistência de ponta 3029

9 8 Índice de Densidade (%) y = 0,8787x + 0, Gradiente da Resistência de Ponta Figura 8 Correlação entre a densidade e o gradiente da resistência de ponta As equações obtidas apresentaram ajuste linear apenas razoável, principalmente na correlação com o peso específico seco. A dispersão observada nos gráficos relacionase a algumas dificuldades encontradas na execução do cilindro de cravação e na avaliação dos índices de vazios do rejeito. Porém, de forma preliminar, os resultados atestam a relação entre a resistência de ponta e a densidade de rejeitos granulares. Baseado nos ensaios de piezocone foi determinado o estado de densidade do depósito através de diferentes formulações (Albuquerque Filho, 2003). Para areias com granulometria uniforme, limpas e sem cimentação, Jamiolkowski et al. (1985) propuseram a utilização da equação abaixo para estimativa do índice de densidade (I D ). 10 I D q = x log10 c σ ' vo (1) O resultado da aplicação desta formulação no furo 3A da área experimental é apresentado na Figura 9. Os valores obtidos atestam a redução do índice de densidade com o aumento da profundidade. Profundidade (m) Índice de densidade (%) Figura 9 Avaliação do índice de densidade (Albuquerque Filho, 2003) 3030

10 A diferença na magnitude dos valores de índice de densidade através do penetrologger e do piezocone relaciona-se ao período de realização dos respectivos ensaios. Em virtude do complexo cronograma de disposição de rejeitos, pequenos intervalos podem interferir bruscamente nas condições da superfície do depósito. 4.2 Processo de Segregação Hidráulica A grande variabilidade das características geotécnicas dos rejeitos de ferro relacionase a sua composição mineralógica bastante particular, caracterizada pela presença de sílica e ferro. As partículas de sílica normalmente apresentam granulometria mais grosseira enquanto as partículas de ferro têm densidade dos grãos mais elevadas. Dessa forma, a avaliação do processo de segregação hidráulica na praia de deposição com o penetrologger foi realizada através da análise da variação dos parâmetros de resistência em função da distância de seu ponto de lançamento. A Figura 10 apresenta os resultados obtidos ao longo da Seção A Resistência de Ponta (MPa) Profundidade (cm) A 2A 3A 4A 5A Figura 10 Valores de resistência de ponta ao longo da seção A Embora apresente alguma dispersão, este gráfico permite identificar claramente a redução da resistência com o afastamento da crista da barragem, caracterizando a ocorrência de partículas mais grosseiras e com maior teor de ferro nas proximidades da região de lançamento dos rejeitos. Este comportamento constitui um elemento fundamental para execução das barragens de rejeitos alteadas através da técnica do aterro hidráulico. A comprovação do aumento da capacidade de suporte nas proximidades da crista possibilita uma movimentação mais segura dos equipamentos. 5. CONCLUSÃO A utilização do penetrologger no controle executivo dos alteamentos das barragens de rejeitos representa uma importante alternativa para melhoria das condições de segurança e estabilidade destas estruturas. A facilidade e a rapidez de operação e o baixo custo dos ensaios justificam a utilização do equipamento. O ajuste linear apenas razoável das curvas de tendência constituídas, relacionando o gradiente de resistência de ponta com o peso especifico e o índice de densidade, indicaram a necessidade de ampliar as campanhas de investigação com o 3031

11 penetrologger. Adicionalmente, a utilização da caixa de calibração tende a dirimir as deficiências relacionadas a determinação da densidade in situ no depósito. A diferença observada na magnitude dos valores do índice de densidade obtidas com o penetrologger e o piezocone comprovou a variação brusca das características do depósito em pequenos intervalos de tempo. O rebaixamento da lâmina d água dentro do reservatório implica variações significativas do estado de densidade dos depósitos. A segregação hidráulica das partículas do rejeito foi comprovada pela variação das características de resistência ao longo da seção transversal da área experimental. O aumento da capacidade de suporte nas proximidades da crista indica a concentração de partículas mais grosseiras e com maior teor de ferro nesta região. Este comportamento reforça a segurança e a trabalhabilidade dos equipamentos de terraplenagem responsáveis pelos alteamentos das barragens de rejeitos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Ribeiro, L.F.M. (2000). Simulação física do processo de formação dos aterros hidráulicos aplicado a barragens de rejeitos. Tese de Doutorado, Universidade de Brasília, Brasília. Espósito, T.J. (2000). Metodologia probabilística e observacional aplicada a barragens de rejeito construídas por aterro hidráulico. Tese de Doutorado, Universidade de Brasília, Brasília. Shanker, R. (2000). Cone penetration test at shallow depth in sand. The influence of equipment. M.Sc. Thesis H.E 062. Robertson, P. K. & Campanella, R.G. (1983). Interpretation of cone penetrometer test, Part I: Sand. In Canadian Geotechnical Journal, 20 (4), Karky, A. (2000). Cone penetration test at shallow depth. M.Sc. Thesis H.E Albuquerque Filho, L.H. (2003). Análise do comportamento geotécnico de sistemas de disposição de rejeitos através de ensaios CPTU. Seminário de Qualificação do Mestrado em Geotecnia, UFOP, Ouro Preto. Jamiolkowski, M., Ladd, C.C., Germaine, J.T. & Lancelotta, R. (1985). New developments in field and laboratory testing of soils. 11 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco. ABSTRACT The most usual way of disposing mining wet tailings is to accumulate them directly into dams. Due to technical and economical reasons, the raising processes of such structures are typically made using the own tailings by using the hydraulic filling method. Usually, this method involves low level of quality control during the dam construction, which causes significant variations in terms of geotechnical behavior of these structures. Variations in the tailings characteristics and disposal procedures also contribute to this fact. This work is aimed to evaluate the application of the penetrologger to determine strength and density parameters during the raising process of an iron ore tailings dam situated in an important mining region, known as Quadrilátero Ferrífero. Additionally, piezocone and field density results from the same tailings dam are compared. KEY-WORDS: Penetrologger, tailings densities, hydraulic fills, hydraulic segregation 3032