DEMIN/EM/UFOP MIN 746 Estabilidade de Escavações Subterrâneas. Prof. José Margarida da Silva junho/2010

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1 DEMIN/EM/UFOP MIN 746 Estabilidade de Escavações Subterrâneas Prof. José Margarida da Silva junho/2010

2 Escavações Subterrâneas

3 Sumário Geomecânica Mecânica das Rochas Definições e terminologia Tensões em maciços rochosos Impactos das escavações subterrâneas Suportes naturais e artificiais Monitoramento Seleção de suporte Referências Bibliográficas

4 Introdução: Geomecânica Estuda o comportamento de todos os materiais presentes na crosta terrestre. Mecânica das Rochas: estuda o comportamento dos maciços rochosos em relação a forças externas; na mineração: escavações. Mecânica dos Solos, Geologia de Engenharia,...

5 Introdução Trabalhos em minas subterrâneas - grandes aspectos de segurança: segurança estrutural (técnica) das aberturas, envolvendo tetos, pisos, paredes e pilares; segurança ambiental, que se refere à criação e manutenção de um ambiente de trabalho confortável e adequado à execução das tarefas pertinentes ao empreendimento. A preocupação ambiental, em sentido amplo, inclui a preocupação com a segurança.

6 Princípios éticos fundamentais Segurança, Economia, Bom Aproveitamento das Jazidas.

7 Mecânica de Rochas A Mecânica de Rochas está relacionada com as propriedades mecânicas e o comportamento das rochas, isto é, como a rocha responde quando sujeita a um campo de forças. Este campo pode ser induzido pela escavação de uma abertura produzida por meios mecânicos. Isto é de fundamental importância em mineração porque a rocha é o principal material de construção e também o principal produto do processo de escavação.

8 Mecânica de Rochas Engenharia de Minas: interessada no comportamento mecânico do maciço rochoso quando se realizam escavações no mesmo, isto é, parte deste é aliviado. Engenharia Civil: interessada nas modificações que se introduzem quando o maciço é carregado pela presença de uma barragem, edifício etc. Esses problemas quase opostos podem ser equacionados conforme: quais as tensões atuantes no maciço original? quais as alterações das tensões introduzidas pela escavação ou obra? qual o efeito das condições geológicas mais complexas?

9 Mecânica de Rochas A rocha constitui um caso particular de material de engenharia. Nas construções com materiais artificiais, a resistência dos materiais é composta em função das necessidades de resistência aos esforços que lhe serão aplicados. Já na rocha, a resistência lhe é intrínseca e as tensões existem independentemente de outras cargas externas que lhe sejam aplicadas. Diante desta limitação e mais os custos proibitivos em que incorreria obter-se um projeto de construção pronto na prancheta, existirão fases de projeto, e mesmo de produção, que serão ajustadas à realidade do maciço rochoso.

10 Mecânica das Rochas Estabilidade das escavações subterrâneas: se os maciços rochosos têm determinadas características de resistência; se as aberturas possuem certas formas geométricas e não excedem determinadas dimensões. Mesmo em tais casos, deve ser considerado: a expansão da rocha no sentido dos vazios, devido às respectivas características reológicas, as deformações correspondentes processamse, em grande parte, ao longo do tempo.

11 Mecânica das Rochas Ações de suportes artificiais e de revestimentos das cavidades podem ser muito variadas, dependendo dos tipos de solicitações que sobre eles exercem os terrenos. Solicitações: que resultam de simples ações de peso do material descomprimido, correspondente às zonas aliviadas de tensões da vizinhança dos vazios em geral, susceptíveis de serem controladas, que provêm diretamente dos campos de tensões instalados - controladas, em regra, quando os campos de tensões, instalados nos terrenos antes da abertura das cavidades, têm intensidades reduzidas.

12 Mecânica das Rochas Indispensável conhecimento do intervalo de tempo durante o qual se pretende que escoramentos ou revestimentos exerçam convenientemente suas funções. Desse tempo depende, geralmente, a importância da deformação dos terrenos a que se aplicam e, portanto,a intensidade máxima das reações que têm de suportar.

13 Definições; terminologia escoramento ou sustentação - engloba uma série de técnicas que utilizam elementos de madeira, metálicos ou de concreto (armado ou não), destinados a aumentar a segurança de cavidades.

14 Definições; terminologia Sistemas de escoramentos: desde simples elementos isolados (destinados a segurar blocos individualizados) até revestimentos completos da periferia dos vazios (se a rocha que os circunda é pouco coerente ou se encontra muito fraturada). Rock support: elementos externos; rock reinforcement: elementos internos.

15 Terminologia Estrutura todo arranjo espacial de elementos físicos, compostos de qualquer material, capaz de resistir a esforços solicitantes em um horizonte previsto de tempo, com um dado fator de segurança e sofrendo deformação entre limites pré-determinados;

16 Terminologia Dimensionamento de uma estrutura: definição das dimensões elementos que a compõem, para que possam resistir aos esforços solicitantes, conhecendo-se: os valores destes esforços, os limites aceitáveis de deformação, o tempo previsto de sua utilização, o fator de segurança desejado ou considerado.

17 Tensões em maciços rochosos Maciço rochoso: rocha + descontinuidades + água. Tensão: relacionada à tendência de deslocamento relativo das partículas de um corpo, em função de solicitações externas; grandeza que depende do plano considerado; dimensionalmente, é igual a pressão.

18 Tensões Maciços rochosos: comportam-se como descontínuos; meios anelásticos. Müller (1963): redução de até 1/30 na resistência da rocha devido à existência de planos de fraqueza.

19 Estado de tensões O estado de tensões no interior de um maciço rochoso varia, geralmente, de ponto a ponto: valor e direção das componentes principais que o definem. maciço virgem: não está submetido somente a esforços verticais, mas a um sistema triaxial de tensões. antes de ser escavado: tensões naturais ou tensões in situ.

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21 Tensões induzidas Escavação: ocorre modificação no estado natural de tensões, com redistribuição de tensões no maciço circunvizinho (tensões induzidas). Limite: arco de pressão. Ruptura: no caso geral, devida a esforços de flexão ou de cisalhamento, porque a resistência da rocha a estes tipos de solicitação é muito menor do que à compressão.

22 Tensões em maciços Maciço regular e homogêneo: pode ser adaptado a modelo clássico da Mecânica de Rochas (fornece, pelo menos, o sentido e a ordem de grandeza dos fenômenos); o mais simples é o modelo elástico. Rocha não homogênea: pode se tentar assimilar o maciço rochoso a um outro modelo teórico (plástico, elasto-plástico etc). modelamento matemático ou modelagem numérica.

23 Regra de Heim Heim, em 1912: maciços rochosos seriam incapazes de suportar grandes diferenças de tensões. Associando-se aos efeitos de deformação dependentes do tempo, levaria a um campo de tensões naturais, onde as componentes vertical e lateral tenderiam a se igualar (campo uniforme de tensões), ao longo do tempo geológico. Hoek & Brown (1980): sugestão de Heim é aplicável a rochas incompetentes, como é o caso de carvão e evaporitos.

24 Impactos ambientais Impactos ambientais da lavra subterrânea: impactos no depósito mineral e rochas encaixantes, impactos nas escavações no subsolo, impactos na superfície do terreno. impactos lavra subterrânea-drenagem ácida, subsidência, rock bursts.

25 Drenagem Ácida Lavra de materiais sulfetados - pode ocasionar formação de águas ácidas, pela oxidação dos sulfetos; estas águas devem ser tratadas e neutralizadas (aumento do ph), antes de serem lançadas ao meio ambiente. Uma das formas de mitigação: produção de ácido sulfúrico.

26 Subsidência Subsidência: conjunto de movimentos descendentes do maciço rochoso, dependente do tempo, em direção ao centro de uma abertura subterrânea; deve-se principalmente à tendência das rochas de preencherem os vazios criados pelas aberturas, principalmente após o seu colapso. É um problema potencial que, não controlado, pode levar a um dano superficial de grande escala.

27 Subsidência contínua

28 Subsidência descontínua

29 Subsidência Para que ocorra subsidência na superfície, é necessário que determinadas dimensões críticas das aberturas subterrâneas sejam ultrapassadas; A região afetada pode ser esquematicamente relacionada a um tronco de cone invertido que se alarga do interior do maciço rochoso para a superfície. A forma na superfície é geralmente uma elípse, com eixo maior paralelo à direção do avanço da lavra.

30 Subsidência contínua para camada horizontal a = ângulo de máxima influência

31 Perfil de subsidência A profundidade e a extensão da bacia de subsidência dependem: da potência e do mergulho do corpo lavrado, da profundidade e das dimensões da escavação, dos tipos de suporte empregados, da velocidade de avanço das frentes de lavra, do tempo, do condicionamento geológico presente no maciço rochoso.

32 Subsidência máxima e Largura crítica Peng (1992) relaciona a subsidência máxima (S), a potência do corpo (m), o fator de subsidência (a) e o ângulo da direção da abertura com a horizontal (a): Largura crítica: S = a m cos a Se cos a = S = a m w c = 1,4 h h é a profundidade de trabalho.

33 Mina de Germunde, Portugal

34 Mina de Kiruna (Suécia)

35 Sismicidade em minas Dos 5 tipos de atividade humana que podem afetar a sismicidade, três estão ligados à mineração: explosão subterrânea, lavra de pedreiras, extração de líquidos (obsis.unb.br, 2009). Algumas minas começaram a enfrentar este problema, realizando trabalhos de monitoramento contínuo no entorno da mina.

36 Rock bursts À medida que as escavações subterrâneas atingem determinadas dimensões críticas, as intensidades dos novos campos de tensões que se instalam nos seus contornos podem exceder os limites de resistência da rocha, levando o maciço à cedência ou ruptura, do que resultarão deformações locais e a correspondente dissipação das mesmas. Fenômenos semelhantes a céu aberto (Pomeroy et al, 1976; Cook, 1976;Silveira, 1987)

37 Caracterização do fenômeno Quando a dissipação (liberação) de energia armazenada num maciço rochoso se processa de maneira relativamente rápida e violenta, o fenômeno é designado, genericamente, por explosão de rocha. Este fenômeno se caracteriza pela influência acentuada de ações de corte e ocorre, quando da abertura de escavações subterrâneas.

38 Efeito de escorva O efeito de escorva pode se originar através de: ondas de choque decorrentes de detonação de explosivos; elevação de temperatura das rochas; presença de água; ruptura de um suporte; explosão de gases; execução de uma abertura; as próprias ondas de uma outra explosão de rocha.

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40 Projeto de suporte Escolha do suporte fatores fundamentais: custo, comportamento do subsolo, método de lavra a ser empregado. O principal objetivo no projeto de um suporte subterrâneo é ajudar o maciço a se autosuportar.

41 Classificação de estruturas Suporte: conjunto de elementos resistentes que se empregam para controlar a deformabilidade e contrariar os fenômenos de ruptura localizada em aberturas subterrâneas. provisórios ou definitivos; contínuos ou descontínuos; compressíveis ou praticamente indeformáveis (rígidos). Exemplos de suportes descontínuos: pilares naturais, esteios, pilhas, quadros, arcos (cambotas) e, de certa forma, as ancoragens.

42 Revestimentos Revestimento: obra de recobrimento de zonas mais ou menos extensas da periferia das escavações, com finalidade de impedir o desprendimento de pequenos blocos de rocha e de regularizar e mesmo impermeabilizar os seus contornos. Exemplos de suportes contínuos: revestimento contínuo de galeria em maciço fraturado por concreto projetado ou pré-moldados de concreto armado; pranchões de madeira (entre quadros ou arcos); concreto projetado e tela (associados a tirantes); quadros justapostos; chapas unindo quadros, com a estrutura resultante exercendo em alguns casos funções de suporte e revestimento.

43 Tratamento ou reforço Tratamento ou reforço: técnica de consolidação do maciço rochoso pela melhoria de sua: resistência, deformabilidade e/ou impermeabilidade. Exemplos: Injeções, congelamento de terrenos e, para alguns, as ancoragens. Últimas décadas: aperfeiçoamento das ancoragens, substituição progressiva da madeira e outras técnicas ou materiais; aparecimento dos cartuchos, cable bolt e associação de concreto reforçado, parafuso e telas.

44 Pilares naturais Dimensionamento de pilares e das câmaras (Hoek e Brown, 1980)

45 Tirante expansivo Swellex Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, ativa; Vantagens: alta capacidade de ancoragem, rapidez e simplicidade de instalação, dá suporte imediatamente após a instalação, provê alguma protensão; Desvantagens: requer dispositivos para instalação, a corrosão é crítica, custo relativo elevado; Dados técnicos: capacidade de ancoragem 13tf; diâmetro do tubo- 26mm; diâmetro do furo 33 a 39mm; comprimento- 1,5 a 8m, pressão da água 300bar (~ 306kgf/cm 2 ).

46 Parafuso expansivo Hydrabolt Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, ativa; Vantagens: média capacidade de ancoragem, instalação é feita com equipamento próprio da mina, ganhando-se em rapidez; Desvantagens: corrosão é crítica, menor faixa de comprimentos disponíveis; Dados técnicos: capacidade de ancoragem 7 a 11tf; diâmetro da haste 16, 17,19,21,25mm; diâmetro do furo 33 a 39mm; comprimento- 1,5 a 4m.

47 Cavilha Split-set Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, passiva; Vantagens: simplicidade e facilidade de instalação, dá suporte imediatamente após a instalação; Desvantagens: baixa capacidade de ancoragem, não provê protensão, diâmetro do furo é crítico, a corrosão é crítica, custo relativo elevado; Dados técnicos: capacidade de ancoragem 3,8 a 5,5tf; diâmetro do tubo 32 a 41mm; diâmetro do furo 33 a 39mm; comprimento- 0,4 a 3,6m.

48 Split-set

49 Tirante com cimento Características: ancoragem interna, química, coluna total, passiva; Vantagens: custo moderado (equivale ao splitset), alta capacidade de ancoragem, simplicidade de instalação, não há perda de protensão com vibrações de detonações, alta resistência à corrosão, facilidade de preparação da barra, não exige rigor no diâmetro do furo; Desvantagens: tempo de cura maior que 2h, necessidade de armazenagem adequada, tempo de estocagem limitado; Dados técnicos: capacidade de ancoragem acima de 14tf; diâmetro da haste a partir de 13mm; diâmetro do furo 32 a 38mm; comprimento- variável.

50 Tirante com resina Características: ancoragem interna, química, coluna total, ativa ou passiva; Vantagens: flexibilidade, alta capacidade de ancoragem, não há perda de protensão com vibrações de detonações, alta resistência à corrosão, suporte imediato (PUR/PR); Desvantagens: custo relativo alto, requer treinamento prévio de mão-de-obra, necessita de armazenagem adequada, tempo de estocagem limitado; Dados técnicos: capacidade de ancoragem acima de 17tf; diâmetro da haste 17 a 25mm; diâmetro do furo 26 a 34mm, comprimento variável; pegas: PUR, PR, PM, PL.

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53 Cable bolt Características: ancoragem interna, química, coluna total, passiva ou ativa; Vantagens: custo baixo, alta capacidade de ancoragem, elevada resistência à corrosão, variedade de comprimento, de altura da escavação, do tipo de escavação temporária ou permanente; Desvantagens: tempo de cura 24h, tensionamento não é simples; Dados técnicos: capacidade de ancoragem acima de 17tf; diâmetro do cabo ¾ a 5/8 ; diâmetro do furo 40 a 45mm; comprimento - variável.

54 Aplicação de cable bolt prévio à lavra - a colocação em alargamentos de corte e enchimento na Mina Campbell (Borchier e outros, 1992 apud Hoek e outros, 1995).

55 Cabos com straps

56 Instalação de cabo mecanizada

57 Classificações geomecânicas De uma forma geral, dão, em função da classe definida para o maciço, a partir de determinados parâmetros, indicativos do vão máximo sem suporte, do tempo de auto suporte e da estrutura mais adequada de sustentação. O objetivo é processar informação sobre propriedades do material rochoso, características de descontinuidades e geometria de escavação para obter valores representativos que propiciem uma base racional para decisões acerca da engenharia de rochas. Os sistemas mais utilizados são o RMR - Rock Mass Rating, proposto por Bieniawski (1973) e o Q, desenvolvido por Barton e outros (1974). Bieniawski (1989): descrição detalhada de outros sistemas de classificação de maciços rochosos. Modificações posteriores e adaptações locais.

58 DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES O DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES EM MINAS NAO TEM MERECIDO O DESENVOLVIMENTO TEORICO E PRATICO DESEJAVEL EM MUITAS ABORDAGENS CORRENTES DA MECANICA DE ROCHAS. SEUS PRINCIPIOS DE DIMENSIONAMENTO E ESCOLHA ESTAO, NAO RARAMENTE, CONTIDOS EM MANUAIS OU PROGRAMAS FECHADOS DE COMPUTACAO QUE SAO, MUITAS VEZES, CONSULTADOS SEM OS NECESSARIOS CRITERIOS TEORICOS QUE DEVEM BALIZAR A DECISAO TECNICA DO ENGENHEIRO.

59 Abordagens de dimensionamento Tempo de auto suporte (Barton); Malha de tirantes e cabos e comprimento - Mathews Potvin; - Hutchinson Diederichs (1986).

60 Conceitos O que pode ser monitorado numa mina subterrânea: ruptura da rocha no contorno da escavação; movimento ao longo de uma descontinuidade; deslocamento relativo entre dois pontos no contorno da escavação (convergência); deslocamentos no interior do maciço, fora do contorno da escavação; deslocamentos da superfície (subsidência); mudança da inclinação de um furo (desvio); nível de água, pressões neutras; mudanças (variações) de tensões (num pilar, por exemplo); pressões normais e de água no enchimento; deformação do material de enchimento; eventos sísmicos; velocidades de propagação de ondas.

61 Monitoramento Estudo de Caso - Mina Caraíba, Jaguarari (BA), cobre destress blasting: alterações nos padrões de furação, nos arranjos de furos, nos explosivos, carregamento e detalhes do desmonte, que implica transferência de carga para pilares adjacentes (De la Vergne, 2000). Monitoramento microsísmico (Andrade et al, 2003) - teve, entre 500 e 800m, tensões da mesma grandeza de outras minas subterrâneas, com profundidades entre e 2.000m. Surgiram desplacamentos.

62 Estudo de Caso - Caraíba Após estudos, foram implementadas modificações no método de lavra, monitoramento microsísmico de superfície e de subsolo. Introdução de: enchimento (pastefill), monitoramento topográfico a laser, aumento da mecanização e automação das operações. Primeiros três meses eventos diversos; Desde a implantação - observados 2 eventos na escala 2 ou 3 por ano, com lançamento de material.

63 Subsidência (aluimento) Fato essencial: qualquer ponto na superfície pode continuar a subsidir por um tempo ao longo da extração dentro de uma área crítica abaixo deste ponto. Além da subsidência ativa, pode haver uma subsidência algo dependente do tempo, devido a fenômenos como a consolidação ou o comportamento visco-elástico dos estratos, que continuam a existir depois de o ponto não estar tão distante da zona de influência da face escavada ( subsidência residual ). Há de se prever então um monitoramento dessa situação.

64 Arrancamento (Pull test) medição da resistência da ancoragem, através de teste no qual o deslocamento do dispositivo de ancoragem é medido como função da carga aplicada ao tirante, o que resulta na obtenção de uma curva carga deslocamento;

65 medição do deslocamento relativo entre um ponto no interior do maciço e um ponto no perímetro escavado; aplicação de extensômetros simples ou múltiplos. Extensometria

66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Brady e Brown. Rock Mechanics for Underground Mining Bise. Mining Engineering Analysis, p Bieniawski, Z. T. Design Methodology in Rock Engineering. Balkema Hoek, E. & Brown, E. T Underground Excavations in Rock. p Hoek et al. Support of Underground Excavations in Hard Rock, cap Hudson e Harrison. Engineering Rock Mechanics. Pergamon Silveira, T Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP. Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Underground Construction.Balkema Chang-Yu Ou. Deep excavation. Taylor & Francis