Modelagem do Método de Exploração Sublevel Caving através do Método dos Elementos Discretos

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1 Jorge Raúl Jaramillo Bobadilla Modelagem do Método de Exploração Sublevel Caving através do Método dos Elementos Discretos Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC- Rio. Orientador: Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Co-Orientador: Prof. Rodrigo Peluci de Figueiredo Rio de Janeiro Junho de 2013

2 Jorge Raúl Jaramillo Bobadilla Modelagem do Método de Exploração Sublevel Caving através do Método dos Elementos Discretos Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr. Orientador Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Luís Manuel Ribeiro e Sousa Universidade de Porto FEUP- U. PORTO Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 12 de Junho de 2013

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Jorge Raúl Jaramillo Bobadilla Graduou-se em Engenharia Geológica pela Universidade Nacional de Engenharia (Lima Peru) em Trabalhou na área de Geomecânica e Geologia no período Ingressou em 2009 ao curso de Mestrado em Engenharia Civil na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, na área de Geotecnia, desenvolvendo dissertação de mestrado na linha de pesquisa Mecânica das Rochas. Jaramillo Bobadilla, Jorge Raúl Ficha Catalográfica Modelagem do Método de Exploração Sublevel Caving através do Método dos Elementos Discretos / Jorge Raúl Jaramillo Bobadilla; orientador: Eurípedes do Amaral Vargas Jr.; co-orientador: Rodrigo Peluci de Figueiredo. Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Engenharia Civil, f: il. (color); 30,0 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia Civil Teses. 2. Mineração. 3. Sublevel Caving. 4. Subsidência. 5. Mecanismos de ruptura. 6. Método dos elementos discretos. I. Vargas Jr, Eurípedes do Amaral. II. Figueiredo, Rodrigo Peluci de. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título. CDD: 624

4 Para Luz Amelia Ce qui sauve, c est de faire un pas. Encore un pas C est toujours le même pas que l on recommence... Antoine de Saint-Exupéry (1939)

5 Agradecimentos A Deus, pela oportunidade de desenvolver este trabalho no Brasil. Aos meus pais, Lorenzo e Isabel, pela educação que me deram e os conselhos e incentivos que recebi durante toda a minha vida. Aos meus irmãos Michael e Jenny, por todo o carinho e compreensão que recebi durante minha caminhada no curso e na vida. A minha Lucesita, por todo amor, carinho, incentivo e, principalmente, pela paciência e compreensão ao longo da elaboração desta tese. Aos meus orientadores, Professor Eurípedes do Amaral Vargas Jr. e Professor Rodrigo Peluci de Figueiredo pela oportunidade de trabalhar com eles e apoio para a realização deste trabalho. A meus colegas, em especial Edwin, que com sua amizade e competência ajudaram a superar as dificuldades desta dissertação. Aos professores e colegas do mestrado pela troca de conhecimentos e aprendizado. Aos amigos do DEC, que estiveram juntos, trocando ideias e experiências para o aprimoramento deste e de outros trabalhos, em especial ao Luis Arnaldo e à Jackeline. A CAPES, CNPq e PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não teria sido possível.

6 Resumo Bobadilla, Jorge Raúl Jaramillo; Vargas Jr., Eurípedes do Amaral (Orientador); Figueiredo, Rodrigo Peluci de (Co-orientador). Modelagem do Método de Exploração Sublevel Caving através do Método dos Elementos Discretos. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. O método de exploração Sublevel Caving é um dos métodos de extração massiva mais usados na indústria mundial de exploração subterrânea, sendo considerado pela indústria de mineração, num futuro próximo dentre os substitutos naturais das atuais minas a céu aberto. Uma operação Sublevel Caving requer que o maciço rochoso circundante ao minério rompa continuamente e se movimente para dentro do espaço criado pela extração do minério. Análises existentes na literatura consideram apenas configurações parciais do processo Sublevel Caving sem considerar o processo evolutivo da extração, e o dano induzido ao maciço rochoso decorrente deste processo. Esta dissertação desenvolve uma modelagem numérica utilizando o método dos elementos discretos para simular o mecanismo de ruptura e a subsidência causada pelo método de exploração Sublevel Caving, analisando o referido efeito e suas consequências na evolução do mecanismo de ruptura e subsidência no Sublevel Caving. O software comercial Particle Flow Code (PFC2D) foi selecionado para esta modelagem devido à capacidade de simular, em um evento de excesso de tensão, o fraturamento do maciço rochoso e sua desintegração, desta forma, originam-se o fluxo do material e os deslocamentos em grande escala, os quais são considerados fenômenos físicos dominantes que regem a formação da subsidência e fraturamento num processo Sublevel Caving. Os resultados obtidos nesse estudo mostraram-se satisfatórios, reproduzindo adequadamente a superfície de subsidência induzida por Sublevel Caving, conseguindo-se uma simulação física realista da sua evolução desde o início do fraturamento até à subsidência final. Palavras-chave Mineração; Sublevel Caving; Subsidência; Mecanismos de Ruptura; Método dos Elementos Discretos.

7 Abstract Bobadilla, Jorge Raúl Jaramillo; Vargas Jr., Eurípedes do Amaral (Advisor); Figueiredo, Rodrigo Peluci de (Co-advisor). Modeling of the Sublevel Caving Method using the Discrete Element Method. Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. The Sublevel Caving Method is one of the most massive extraction methods used in underground mining industry worldwide and is considered by the mining industry as one of the natural replacements of the current open cut mines in the near future. A Sublevel Caving operation requires that the rockmass surrounding the orebody continually fails and moves into the void created by ore extraction. This dissertation develops a modeling using the discrete element method to simulate the failure mechanism and subsidence caused by Sublevel Caving method. Analyses reported in the literature consider only partial configurations of process Sublevel Caving, without taking into consideration the excavation evolution process, and damage induced to the rock mass resulting from this process. This dissertation analyzes this effect and its consequences on the evolution of failure mechanism and subsidence in Sublevel Caving. Particle Flow Code (PFC2D) was selected for modeling because of its ability to simulate, if the event of excess stress, fracturing and disintegration of the rock mass and large-scale deformation and material flow, to be simulated, which are believed to be the dominant physical phenomena governing the formation of subsidence and fracturing of Sublevel Caving. The results obtained in this study were satisfactory, reproducing properly the surface subsidence induced by Sublevel Caving, allowing physically realistic simulation of its evolution since the beginning of the fracturing to final subsidence. Keywords Mining; Sublevel Caving; Subsidence; Failure mechanisms; Discrete Element Method.

8 Sumário 1 Introdução Aspectos Gerais Objetivos Organização da Dissertação 17 2 Revisão Bibliográfica Sublevel Caving Introdução Sequência de desenvolvimento Vantagens sobre outros métodos Subsidência Subsidência mineira Subsidência induzida pelo SLC Avaliação da subsidência associada ao SLC Transição Mina Céu aberto - SLC Mina Kiruna Mina Kvannevann 34 3 Metodologia Método dos elementos discretos (DEM) Formulação geral Sobre o modelo PFC Macro-propriedades e Micro-propriedades Testes virtuais do maciço rochoso 45 4 Modelagem Numérica Considerações e simplificações do modelo Calibração do modelo Modelagem numérica do SLC 53

9 Construção do modelo Resultados do Modelo Numérico Discussão sobre superfície de subsidência 70 5 Conclusões e Sugestões Conclusões Sugestões 75 Referências Bibliográficas 77 Apêndice Funcionamento Qualitativo PFC2D 81

10 Lista de figuras Figura Arranjo geral típico de lavra por SLC (adaptado de Hamrin, 2001). 19 Figura Detalhe das diversas fases do método SLC transversal (modificado após Sandvik Group, 2004) Figura Perfurações com utilização do fandrill (modificado após Sandvik Group, 2004) Figura Retirada do minério (modificado após Sandvik Group, 2004) Figura Transporte do material desmontado nas frentes das galerias (modificado após Sandvik Group, 2004) Figura Zonas de deformação do maciço rochoso no método de mineração SLC Figura Sequência da ruptura progressiva do maciço rochoso com o aumento da profundidade de mineração:(a) mineração superficial; (b) falha de cunha pendurada; (c) formação da cunha íngreme; (d) desenvolvimento de trinca de tração e de superfície de falha; (e) desenvolvimento da segunda trinca de tensão e de superfície de falha; (f) cava a céu aberto inicial; (g) desenvolvimento de trinca de tração e de superfície de falha; (h) desenvolvimento da segunda trinca de tração e de superfície de falha; (i) ruptura progressiva com o aumento da profundidade de mineração (Hoek, 1974) Figura Modelo de Equilíbrio limite proposto por Hoek (1974) para prever o crescimento de uma cratera de subsidência Figura Modelo de equilíbrio limite proposto por Brown & Ferguson (1979) para prever o crescimento de uma cratera de subsidência Figura Mina Kiruna Figura Geologia da mina Kiruna Figura Subsidência induzida pelo SLC. Mina Kiruna Figura Mina Kvannevann Figura Configuração Mina Kvannevann Figura 3.1 (a)contato entre duas partículas e (b)contato entre partícula-parede (Itasca, 2004) Figura Ciclo de cálculo do programa PFC2D (Itasca, 2008)

11 Figura A relação entre o módulo de elasticidade e a rigidez normal do sistema grãos-cimento (modificado de Itasca,2008) Figura 4.1 Esquematização das condições de contorno e amostras dos ensaios biaxial e Brasileiro (modificado de Itasca, 2008) Figura Ruptura do material em ensaio biaxial Figura Envoltória de valores de resistência de pico (Dados obtidos de ensaios biaxiais simulados em PFC2D) Figura Geometria geral - modelagem SLC Figura Representação da escavação da cava a Céu Aberto, no modelo, feita em 10 etapas Figura Representação do enchimento do Backfill (estéril) no modelo Figura Geração do chaminé no primeiro Subnível (SN1) Figura Sequenciamento da mina no modelo, a cor gris representa o minério explodido. Para gerar o efeito granular se eliminaram os parallel bond (cimento) para gerar o fluxo Figura Processo sistemático e sequenciado no modelo Figura Configuração inicial adotada para o início da sequencia SLC Figura Etapa de extração do Subnível 1 (SN1) Figura Etapa de extração do Subnível 2 (SN2) Figura Etapa de extração do Subnível 3 (SN3). O minério é gradualmente substituído pelo material granular estéril (Backfill) e a rocha proveniente do hangingwall (capa), vai sendo fraturada pelo enfraquecimento das zonas adjacentes á frente de extração no Subnível Figura Etapa de extração do Subnível 4 (SN4) Figura Etapa de extração do Subnível 5 (SN5). O minério é gradualmente substituído pelo material granular estéril (Backfill) e a rocha proveniente do hangingwall (capa), vai sendo fraturada pelo enfraquecimento das zonas adjacentes á frente de extração no Subnível 5, observa-se formação de um alinhamento preferencial de falha Figura Etapa de extração do Subnível 6 (SN6) Figura Etapa de extração do Subnível 7 (SN7) Figura Etapa de extração do Subnível 8 (SN8) Figura Etapa de extração do Subnível 9 (SN9)... 66

12 Figura Etapa de extração do Subnível 10 (SN10) Figura Etapa de extração do Subnível 11 (SN11) Figura Etapa de extração do Subnível 12 (SN12) Figura Perfis característicos da condição inicial e final da modelagem (superfície de subsidência) Figura Deslocamento verticais dos pontos de monitoramento (evolução da superfície de subsidência) e deslocamentos verticais na face do talude Figura Tempo vs deslocamento acumulado vertical para estação T5 na mina Kiruna Figura 4.26 Relação entre os deslocamentos verticais e o volume de rocha extraído segundo a evolução da subsidência do hangingwall

13 Lista de tabelas Tabela Evolução dos métodos de equilíbrio limite para a análise de subsidência induzida pelo SLC (modificado após Flores & Karzulovic, 2004) 28 Tabela Estudos Numéricos de subsidência de superfície induzido por caving. 29 Tabela Parâmetros do critério de Hoek-Brown GSI 55 -Mina kiruna (Villegas, 2008). 48 Tabela Parâmetros Mohr-Coulomb baseados nos dados na tabela 4.1 (Villegas, 2008). 48 Tabela Micro-parâmetros utilizados na simulação 50 Tabela Macro-parâmetros obtidos de simulações de ensaios biaxiais e brasileiros 53

14 Lista de termos técnicos Mina - É a jazida em exploração, entendido por exploração, o conjunto de operações necessárias à extração industrial de substâncias minerais ou fósseis da jazida. Mineração - É a arte de descobrir, analisar e extrair as substâncias minerais úteis existentes no interior ou na superfície da terra. Minério - É um agregado de um mineral - minério e ganga que, no estado atual da técnica, pode ser normalmente utilizado para a extração econômica de um ou mais metais. Subnível (Sublevel) - Nível intermediário num painel de lavra subterrânea, em corpos de minério verticais ou inclinados. Sublevel Caving (SLC) - Abatimento em subníveis (Método de exploração subterrânea aplicável a corpos tabulares de moderado-forte mergulho e grandes dimensões, deformáveis e abatíveis, em que blocos de estéril são forçados a se abater, após a extração inferior dos painéis de minério). Abatibilidade - Propriedade de um bloco de rocha de se fragmentar e abater em função de sua resistência à tração ou cisalhamento e do valor das forças aplicadas. Hangingwall - Capa (maciço rochoso encaixante, acima de um veio, ou acima do minério que está sendo lavrado). Footwall - Lapa (maciço rochoso encaixante inferior ao veio ou camada mineralizada). Backfill - Material estéril de preenchimento, constituído de fragmentos de rocha.