Hugo David Ninanya De la Cruz. Modelagem numérica para avaliação do controle das águas na mineração. Dissertação de Mestrado

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1 Hugo David Ninanya De la Cruz Modelagem numérica para avaliação do controle das águas na mineração PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Orientador: Prof. Eurípides do Amaral Vargas Jr. Co-Orientador: Dr. Nilson Guiguer Rio de Janeiro Agosto de 2014

2 Hugo David Ninanya De la Cruz Modelagem numérica para avaliação do controle das águas na mineração PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Eurípides do Amaral Vargas Jr Orientador Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Dr. Nilson Guiguer Co-Orientador DHI Brasil Prof. Antônio Roberto Martins Barboza de Oliveira Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. Andrea Ferreira Borges Universidade Federal do Rio de Janeiro Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 18 de agosto de 2014

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Hugo David Ninanya De la Cruz Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidad Ricardo Palma (URP), de Lima Peru, em 2011, tendo exercido a profissão de Engenheiro Civil durante o período Ingressou em 2013 no curso de Mestrado em Engenharia Civil da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, na área de Geotecnia, desenvolvendo dissertação de mestrado na linha de pesquisa Geomecânica Computacional. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA De la Cruz, Hugo David Ninanya Ficha Catalográfica Modelagem numérica para avaliação do controle das águas na mineração / Hugo David Ninanya De la Cruz ; orientador: Eurípedes do Amaral Vargas Jr; co- orientador: Nilson Guiguer f: il. ; 29,7 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Inclui bibliografia 1. Engenharia Civil Teses. 2. Mineração. 3. Controle das águas. 4. Fluxo em meios porosos fraturados. 5. Regime Transiente. 6. Método dos elementos Finitos. I. Vargas Jr, Eurípedes do Amaral. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Aos meus queridos irmãos, Anthony e Karen.

5 Agradecimentos Ao professor. Eurípedes do Amaral Vargas Jr., pelo estímulo, orientação e confiança durante esta dissertação. Ao Nilson Guiguer pela orientação e conselhos nesta área da mineração e pela confiança depositada neste tempo de trabalho. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Aos meus professores do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio pelo conhecimento transmitido durante o mestrado. À mineração Votorantim Metais através dos senhores Gustavo Catão Silva Nascimento e Edmar Eufrasio de Araujo pelos dados de monitoramento fornecidos para a realização do estudo de caso da mina subterrânea de Vazante. Ao Ramon Días pelos estudos de monitoramento e informação da mina a céu aberto. À CAPES, pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa.

6 Resumo De la Cruz, Hugo David Ninanya; Vargas Jr., Eurípedes do Amaral; Guiguer, Nilson. Modelagem numérica para avaliação do controle das águas na mineração. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA O rebaixamento e controle das águas subterrâneas são atividades implementadas e monitoradas de forma contínua ao longo da vida dos projetos de mineração subterrânea ou a céu aberto. A implementação apropriada e eficiente destas atividades depende de estudos hidrogeológicos de grande porte, que permitem avaliar os sistemas de controle mais adequados. A procura da eficiência técnico-econômica destes processos demanda análises numéricas de fluxo tridimensionais de toda a região em estudo, caracterizada por profundas e complexas estratificações de materiais permeáveis abaixo do lençol freático, como normalmente abrangem projetos de mineração, onde as soluções analíticas não podem mais ser aplicadas. O presente trabalho de pesquisa contribui na melhor compreensão das formulações numéricas que representam o comportamento do fluxo subterrâneo, através de dois estudos de caso, o primeiro em uma mina subterrânea e segundo em uma mina superficial. No caso da mina subterrânea foram incorporadas feições cársticas através de elementos discretos 1D dentro de um modelo tridimensional de elementos finitos com o intuito de representar caminhos preferenciais de fluxo. Foram discutidas as vantagens de incorporar tais feições de forma explicita, quantificando o fluxo que passam por estas, que alimentam à mina através de conexões diretas com um rio adjacente. Estes elementos discretos permitem uma representação mais realista do meio hidrogeológico e ao mesmo tempo, uma avaliação mais aprimorada dos efeitos no comportamento do fluxo subterrâneo devido à impermeabilização superficial do rio, como a solução mais coerente para este problema de infiltração. Também foi elaborado um modelo hidrogeológico conceitual para representar o comportamento hidrogeológico de uma mina a céu aberto, desenvolvendo uma sistemática de uso adequado das condições de contorno e de restrição, a calibração deste modelo e a verificação de diferentes cenários de fluxo, como resultado da

7 incorporação das diferentes técnicas de controle das águas avaliadas em regime transiente, que abrange poços de bombeamento, paredes cut-off assim como ponteiras filtrantes e drenos horizontais. As diferentes técnicas modeladas mostraram resultados satisfatórios, sendo que arranjos de várias técnicas, configuradas de forma localizada, resultam ser mais recomendáveis e eficientes para tratar problemas particulares. Palavras chave Controle das águas na mineração; Fluxo em meios porosos fraturados; Análise transiente; Métodos dos elementos finitos. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA

8 Abstract De la Cruz, Hugo David Ninanya; Vargas Jr., Eurípedes do Amaral (advisor); Guiguer, Nilson (Co-advisor). Numerical modeling to assess the control of water in mine. Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Dewatering and groundwater control are activities continuously implemented and monitored throughout the duration of underground mining or open pit projects. The proper and efficient implementation of these activities depends on large hydrogeological studies, for assessing the most appropriate control systems. The demand for technical and economic efficiency of these processes requires three-dimensional flow numerical analysis of the entire study area, characterized by deep and complex stratifications of permeable materials below the water table, as usually cover mining projects, where analytical solutions cannot be applied. The present research contributes to a better understanding of the numerical formulations that represent the behavior of groundwater flow via two case studies the first in an underground mine and the second in a surface mine. In the case of the underground mine, 1D discrete elements were incorporated within a finite-three dimensional model in order to represent preferential flow paths. The advantages of incorporating such features explicitly to quantify the flow passing through them, that feed the mine through direct connections with an adjacent river, were discussed. The use of discrete elements allows for a more realistic representation of the hydrogeological environment and, at the same time, a more refined assessment of the effects on the behavior of groundwater flow due to surface sealing of the river, as the most coherent solution to this infiltration problem. Furthermore, a conceptual hidrogeologic model representing the hydrogeological behavior of an open pit mine was created, developing a system of the appropriate use of boundary and constraint conditions, calibrating the model and verifying different flow scenarios, as a result of the incorporation of different water control techniques assessed in transient regime, such as covering pumping wells, cut-off walls as well as wellpoints and horizontal drains. The different techniques modeled showed satisfactory results, with various

9 arrangements of techniques configured in a localized form resulting in the most desirable and efficient treatments for particular problems. Keywords Control of water in mining; Flow in fractured porous media; Finite element method; Transient analysis. PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA

10 Sumário 1 Introdução 21 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA 2 Modelagem de águas subterrâneas Conceitos fundamentais Águas subterrâneas Definições Hidrogeológicas Fluxo em meio poroso e saturado Modelo conceitual para fluxo de águas subterrâneas Domínio e contornos do modelo Unidades hidrogeológicas e propriedades hidráulicas Recarga e descarga das águas subterrâneas Interação águas subterrâneas e águas superficiais Balanço de massa das águas subterrâneas Configuração da modelagem numérica Delimitação do domínio Discretização horizontal e vertical Condições e restrições de contorno Superfície livre Convergência do modelo Calibração das águas subterrâneas e análise de sensibilidade Técnicas de calibração Dados necessários para calibração Avaliação da calibração Análise de sensibilidade 51 3 Controle das águas em projetos de mineração Introdução Conceito de rebaixamento e controle de águas Despressurização de taludes Técnicas de controle das águas em minas subterrâneas Impermeabilização da superfície do terreno Congelamento do terreno Grouting 56

11 Drenagem de mina Técnicas de controle das águas em minas a céu aberto Técnicas ativas Técnicas passivas Critérios para a seleção da técnica de rebaixamento 65 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA 4 Estudo de caso: Mina subterrânea Introdução Aspectos intervenientes ao cenário hidrogeológico local Condicionantes geológicas Gênese de feições cársticas Condicionantes geomorfológicas Compilação e interpretação dos dados disponíveis Piezômetros e poços medidores de nível d água Vazões bombeadas na mina Pluviometria Monitoramento do rio Santa Catarina Modelo hidrogeológico conceitual Domínio do modelo Unidades hidrogeológicas e propriedades hidráulicas Recarga e descarga de águas subterrânea Revisão e recalibração do modelo numérico existente Revisão dos pontos de calibração Revisão e modificação das condições de contorno Recalibração do modelo numérico para o meio poroso contínuofraturado Implementação de elementos discretos 1D como feições cársticas Recalibração do modelo numérico contínuo-fraturado considerando as feições cársticas Cenários de comportamento de fluxo subterrâneo Cenário 1: Fluxo subterrâneo sem considerar as feições cársticas Cenário 2: Fluxo subterrâneo sem as feições cársticas e impermeabilizando o rio Cenário 3: Fluxo subterrâneo considerando feições cársticas Cenário 4: Fluxo subterrâneo considerando feições cársticas e impermeabilizando o rio Resumo dos resultados dos cenários 109

12 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA 5 Estudo de caso: Mina a céu aberto Introdução Caracterização hidrogeológica Condicionantes geológicos Condicionantes hidráulicos Compilação e interpretação dos dados disponíveis Pluviometria Vazões bombeadas da cava da mina Evapotranspiração Modelo hidrogeológico conceitual Conceitualização do problema Parâmetros dos materiais Desenvolvimento do modelo numérico Pontos de calibração do modelo Condições de contorno Calibração do modelo numérico Análise de sensibilidade Condição hidráulica da mina Avaliação das técnicas de controle das águas cenários de simulação Arranjo 1: Poços de bombeamento Arranjo 2: Paredes cut-off Arranjo 3: Ponteiras filtrantes, drenos horizontais e poços de bombeamento Conclusões e Recomendações 148 Referências Bibliográficas 151 Anexo único: Mapas geológicos 155

13 Lista de Figuras PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Figura Localização da mina subterrânea de Vazante em relação ao rio Santa Catarina e às estações de medição (Votorantim, 2013) 23 Figura Possíveis mecanismos de infiltração desenvolvidos: Infiltração sazonal em resposta a alta precipitação (ex. 205 mm em 5 dias), fluxo em conduto ao longo de cársticos interconectados, e Infiltração através de fraturas e permeabilidade do maciço rochoso (Schlumberger Water Services, 2008) 24 Figura 1.3 Localização e traçado do limite físico (línea cheia em vermelho) da mina a céu aberto (Fonte: Google Earth, 2014). 25 Figura Fotografia da frente a menor cota da pedreira em condições inundadas no ano de 2010 (Díaz, 2012). 26 Figura Ilustração esquemática do fluxo de águas subterrâneas (Best, 1998) 30 Figura Condição confinada e não confinada em aquífero - seção vertical (Diersch, 2013) 34 Figura Representação esquemática (a) lençol freático maior que o nível do rio (b) lençol freático menor que o nível no rio (c) corrente do rio desconectada do aquífero (Reproduzido de Winter et al., 1998) 38 Figura Condição de contorno tipo 1- carga constante (DHI Wasy, 2014) 42 Figura Condição de contorno tipo 2 (DHI Wasy, 2014) 43 Figura Fluxo de Infiltração ao aquífero (Diersch, 2013) 44 Figura Fluxo de Exfiltração ao rio (Diersch, 2013) 44 Figura Sistema de aquíferos contendo o poço de bombeamento multicamadas (Diersch, 2013) 45 Figura (a) Superfície livre em Malha fixa (b) Superfície livre em Malha móvel, (Diersch, 2013) 45 Figura Esquematização dos trabalhos de concreto no rio Oerias (Carvalho, 1990) 55 Figura 3.2 Representação esquemática dos poços de bombeamento (exterior e interior) na cava com seu respectivo sistema de drenagem superficial (Preene, 2014) 59 Figura 3.3 Representação esquemática do sistema poços de bombeamento e drenos horizontais, com seu respectivo sistema de drenagem e de bombeamento para fora da cava (Preene, 2014) 62 Figura 3.4 Representação esquemática das técnicas ativas que incluem ponteiras filtrantes, drenos horizontais, sistema de drenagem e estação de bombeamento. (Preene, 2014) 64

14 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Figura 3.5 Representação esquemática da técnicas passiva Parede cutoff aplicada a taludes para o bloquei do fluxo das águas (Preene, 2014) 65 Figura 4.1- Caminhos de fluxos presumidos entre o rio e a mina com base nas formações locais e regionais mapeadas (Guiguer et al., 2013). 72 Figura Níveis de desenvolvimento de feições cársticas na sua condição original (Pessoa et al., 2012). 76 Figura Mapa de distribuição dos pontos de monitoramento na área de influência definida para os estudos hidrogeológicos (Pessoa et al., 2012). 78 Figura Diagrama das médias históricas anuais de precipitação x bombeamento (Adaptado de Prado, 2010). 79 Figura Pontos de monitoramento fluviométricas analisadas próximos à mina. 81 Figura 4.6- Perfil hidrogeológico esquemático na Mina Vazante (Pessoa et al., 2012). 83 Figura Modelo numérico de fluxo em FEFLOW que inclui a localização da mina de Vazante e as estruturas 2D (Falhas) na situação atual da mina. 86 Figura 4.8 Unidades hidrogeológicas do modelo numérico de fluxo em FEFLOW Figura Modelo numérico de fluxo em FEFLOW Pontos de Calibração Figura Curva de calibração entre níveis medidos e calculados pelo modelo. 92 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina atual (Cota 326). 93 Figura 4.12 Representação esquemática das feições cársticas na região d amina de Vazante (Bittencourt & Reis, 2012). 94 Figura Representação numéricas dos elementos discreto 1D no FEFLOW: Arbitrary node e Edge slice. (DHI-Wasy, 2014) 95 Figura Analise de sensibilidade para a determinação das variáveis que regem o comportamento de fluxo no interior dos elementos 1D (Feições cársticas). 95 Figura Curva de calibração entre níveis medidos e calculados pelo modelo com feições cársticas. 98 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina atual (Cota 326) considerando as feições cársticas no modelo. 98 Figura Localização da seção transversal a ser analisada para os cenários 1 e 2 de análise de fluxo. 100 Figura Cenário 1: Superfície do lençol freático gerada pelas condições de contorno impostas no rio e na mina. 100

15 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Figura Cenário 1: Intensidades de fluxo de recarga pelo rio e descarga na mina, para seu posterior bombeamento. 101 Figura Cenário 1: Trajetórias de fluxo (linhas de cor preto) do rio para a mina. 101 Figura 4.21 Cenário 2: Representação esquemática do tramo do rio impermeabilizado (impermeabilização total) 103 Figura Cenário 2: Zona de impermeabilização total do rio (6,3 km) 103 Figura Cenário 2: Representação esquemática do tramo do rio impermeabilizado (impermeabilização parcial) 104 Figura Cenário 2: Zona de impermeabilização parcial do rio (2 km) 104 Figura 4.25 Localização das feições cársticas no domínio e da seção de análise para os cenários 3 e Figura 4.26 Cenário 3: Características do fluxo influenciado através das feições cársticas. 106 Figura 4.27 Cenário 3: Faixa do rio de maior infiltração para o aquífero que inclui os caminhos preferenciais de fluxo. 106 Figura Cenário 4: Zona de impermeabilização total do rio (3,6 km) 108 Figura Cenário 4: Zona de impermeabilização parcial do rio (4,5 km) 108 Figura 4.30 Comparação dos resultados das vazões de descarga dos cenários com e sem feições para o caso da Mina subterrânea. 109 Figura Comparação dos resultados dos comprimentos de infiltração dos cenários com e sem feições para o caso da Mina subterrânea. 109 Figura Coluna estratigráfica resultante do estudo geológico (Adaptado de Álvarez et al., 2012) 112 Figura Mapa geológico delimitado pela divisória de águas e borda contato com o mar, na que se situa a exploração mineira e os poços de observação. Cortes longitudinal e transversal para identificação dos mantos e dobras (Álvarez et al., 2012) 113 Figura Histórico anual de bombeamento cujos valores estão sendo comparados com as precipitações anuais acumuladas das estações El Musel e Cabo de Peñas, realizados entre 2002 e 2010 (Díaz, 2012) 116 Figura 5.4 Modelo numérico de fluxo em FeFlow com a localização da mina a céu aberto (ao ano de 2010). 121 Figura Unidades hidrogeológicas que conformam o modelo numérico no FEFLOW para a mina a céu aberto. 122 Figura Condições de contorno hidráulicas atribuídas ao modelo numérico. 124

16 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Figura Comparação das cargas hidráulicas calculadas e registradas no campo 126 Figura 5.8 Ajuste das cargas hidráulicas calculadas e registradas no campo 126 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina a céu aberto. 127 Figura Superfície do lençol freático na mina e no domínio e a condição de inundação na cava da mina. 129 Figura 5.11 Superfície de afloramento do lençol freático e distribuição de volumes de água na cava da mina. 129 Figura 5.12 Linhas de fluxo que indicam o caminho que a água segue em direção à cava da mina 130 Figura 5.13 Seção A-A : Perfil piezométrico e linhas de fluxo em direção à cava 131 Figura 5.14 Arranjo 1 - Opção (A): Vistas em planta da cava da pedreira para diferentes números de poços de idênticas profundidades e capacidades: a) 2 poços; b) 4 poços; c) 6 poços e d) 8 poços. 133 Figura 5.15 Arranjo 1 - Opção (B): Vista em planta da localização de um sistema com poços internos e externos à cava indicando a potenciometria resultante no tempo t na região da cava. Localização das seções A-A, B-B e C-C 135 Figura 5.16 Arranjo 1: Vista em corte vertical da Seção A-A indicando a superfície potenciométrica e o rebaixamento do lençol freático atingido devido ao funcionamento dos poços para diferentes tempos da análise transiente. 137 Figura 5.17 Arranjo 1: Vista em corte vertical das seções A-A, B-B e C-C indicando a superfície potenciométrica no tempo t = no interior da cava devido à implementação dos poços de bombeamento. 137 Figura 5.18 Condição de exfiltração no talude sul oeste representado pela condição de contorno tipo 1 sem a incorporação de técnicas de controle das águas. 138 Figura 5.19 Arranjo 2: Condição inicial para a análise de fluxo bidimensional na seção D-D (a) referente às cargas de pressão e (b) referente às cargas hidráulicas. 139 Figura 5.20 Arranjo 2: Análise de fluxo transiente (seção D-D) indicando a evolução do lençol freático devido à incorporação das paredes cut-off 140 Figura 5.21 Seção D-D: Exfiltração no talude sul-oeste, resultado do Arranjo Figura Disposição dos drenos horizontais e ponteiras filtrantes a ser implementado no talude sul-oeste de exfiltração (seção D-D) a ser analisado no Arranjo

17 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=10d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento. 144 Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=50d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento. 145 Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=100d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento. 146 Figura 5.26 Arranjo 3: Seção D-D (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=360d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento. 147 Figura Anexo 1 - Mapa geológico da área de influência definida para os estudos hidrogeológicos Mina subterrânea (Pessoa et al., 2012) 156 Figura Anexo 2 - Mapa geológico da área de influência definida para os estudos hidrogeológicos Mina a céu aberto (Díaz, 2012) 157

18 Lista de Tabelas PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA Tabela Piezômetros instalados nas diferentes unidades hidrogeológicas da área de influência da Mina Vazante a dezembro de Tabela Localização dos pontos de monitoramento de vazão (m3/h) nos cursos d água da área de interesse do estudo (Pessoa et al., 2012) 80 Tabela Relação entre o aquífero e o Rio Santa Catarina (ganho/perda d água do rio) (Prado, 2010) 81 Tabela Distribuição dos pontos de calibração de cargas hidráulicas88 Tabela Parâmetros hidrodinâmicos considerados no modelo de fluxo (modificado da Votorantim, 2013) 91 Tabela Balanço de massa para a simulação da mina atual 92 Tabela Parâmetros hidrodinâmicos considerados no modelo de fluxo com feições cársticas. 97 Tabela Balanço de massa para a simulação da mina atual, considerando caminhos cársticos. 98 Tabela Localização UTM das feições cársticas no modelo numérico. 107 Tabela 5.1 Dados de precipitação e temperatura da estação de Gijón (Díaz, 2012) 115 Tabela 5.2 Dados de precipitação da estação de El Musel (Díaz, 2012) 115 Tabela 5.3 Incremento do bombeamento com relação ao ano anterior (Díaz, 2012). 116 Tabela Evapotranspiração expresso em porcentagem (Díaz, 2012) 117 Tabela 5.5 Valores de chuva útil para cada uma das precipitações de referência (ETP e ETR) (Díaz, 2012) 118 Tabela 5.6 Valores de condutividade hidráulicas (cm/s) para materiais de acordo com diferentes autores. (Díaz, 2012, adaptado de San Roman, 2008) 120 Tabela Poços de medição usados na calibração do modelo Mina a céu aberto (Díaz, 2012). 123 Tabela 5.8 Medições de vazão na cava (Díaz, 2012) 123 Tabela Resultado da avaliação estatística para carga hidráulica e vazão de saída na cava 125 Tabela Propriedades hidráulicas das diferentes unidades hidrogeológicas do modelo numérico 127 Tabela 5.11 Balanço de massa para a mina a céu aberto. 127 Tabela 5.12 Balanço de massa para a mina a céu aberto. 128

19 Lista de Símbolos PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA ǀǀAǀǀ AMG B BiCGSTAB CG CGS e ET GMRES h hc hd hm k K k(a) MAE ME MG NE NP n n ORTHOMIN p Q Qh Qhw q qh R RMS S Sr SS Sy w [KXX], [KYY] e [KZZ] t0 Γ ΓC ΓD Matriz rigidez A Método da multigrelha algébrica Espessura do aquífero confinado Método Lanczos estabilizado do Gradiente Biconjugado Método do Gradiente Conjugado Método Lanczos da Raiz do Gradiente Conjugado Elemento finito Evapotranspiração Porosidade efetiva Método do resíduo mínimo generalizado Espessura da camada saturada do aquífero Carga hidráulica calculada Carga hidráulica conhecida Carga hidráulica medida Condutividade hidráulica Tensor de condutividade hidráulica Número da condição da matriz de rigidez A Erro Médio Absoluto Erro Médio Método da Multigrelha Número do elemento finito Número de pontos dos elementos Porosidade Número total de dados Método do resíduo mínimo ortogonal Poropressão Função geral de fonte/dreno Fonte de recarga Fonte poço (extração ou injeção) Velocidade de Darcy Fluxo conhecido imposto Coeficiente de correlação Erro de Raiz Média Quadrática Armazenamento Retenção específica Armazenamento específico Rendimento específico Função de ponderação do método de Galerkin Matrizes de condutividade horizontais X,Y e vertical Z Tempo na condição inicial Contorno total Condição de contorno de Cauchy Condição de contorno de Dirichlet

20 ΓN Condição de contorno de Neumann Condição de transferência de fluxo -Φh(hC - h) h O,C e F 1D 2D 3D R R 2 Quantidade derivada da carga conhecida Matrizes e vetores da matriz de rigidez Unidimensional Bidimensional Tridimensional Funções de interpolação Coeficiente de correlação Coeficiente de determinação Operador lógico Operador vetorial Domínio do modelo, ʃ Operadores algébricos PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA

21 1 Introdução Processos de escavação em uma mina abaixo do lençol freático podem criar uma série de problemas relacionado com a água que afetam a eficiência operacional e viabilidade econômica de operação na mina (Doulati Ardejani et al., 2003). Por outro lado a água é também indispensável para diversos processos mineiros. Procedimentos de rebaixamento do lençol freático permitem a extração da água das regiões de escavação da mina, deixando-a em condições de trabalhabilidade, e ao mesmo tempo, permitem aproveitar esta água por tecnologias de re-uso em distintas áreas da mineração. Estes processos são conhecidos como técnicas de controle da água, que são continuamente implementadas e monitoradas durante os processos de escavação e ao longo da vida dos projetos de mineração. Se por um lado um estudo geológico do depósito de minério a ser explorado permite conhecer e calcular a disposição das reservas a explorar, encaminhando, basicamente, à devida escolha do método mais adequado de exploração do minério com o menor custo, por outro lado, um estudo hidrogeológico detalhado do depósito permite valorar os sistemas de controle de água mais adequados, necessários para permitir a atividade mineira. A implementação de um apropriado sistema de controle de água pode facilitar os processos de escavação de uma mina, caracterizada por estratificações complexas de materiais permeáveis abaixo do lençol freático. Um sistema inadequado ou não controlado do fluxo subterrâneo pode, por pressão hidrostática ou exfiltração, causar piping 1, levantamento da base da escavação, ou reduzir a estabilidade dos taludes de escavação (no caso de uma mina a céu aberto), ou colapso, subsidência (no caso de uma mina subterrânea). Modelagens numéricas via elementos finitos ou diferenças finitas são ferramentas versáteis e de grande ajuda quando aplicadas a este tipo de processos 1 Erosão interna devido a altos gradientes hidráulicos

22 22 de escavação e de controle das águas, especialmente quando se lida com aplicações tridimensionais, com heterogeneidade e anisotropia das propriedades dos materiais e de grandes proporções em área e profundidade das estratificações, como normalmente abrangem projetos de mineração, onde as soluções analíticas não podem mais ser aplicadas. Parte da sua capacidade está também em que permite a compreensão, interpretação e o entendimento dos processos que regem esses sistemas reais complexos, bem como a incorporação e otimização das técnicas de controle de água a serem empregadas nos processos de escavação. Simulações numéricas são empregadas em projetos de hidrogeologia na mineração, permitindo tanto a calibração das propriedades hidráulicas pela incorporação das adequadas condições de contorno, assim como previsões de respostas hidráulicas perante diferentes condições de fluxo que virem a ocorrer, com base em um modelo conceitual bem definido que representem o comportamento hidrogeológico da região em estudo. De acordo com Aryafar et al., 2007, os resultados de tais simulações seriam usados para desenvolver uma estratégia apropriada para o controle das águas, com o intuito de minimizar problemas operacionais abaixo do lençol freático e problemas ambientais na fase de viabilidade no projeto de mineração. Este trabalho de dissertação de mestrado compreende análises numéricas tridimensionais de fluxo subterrâneo via elementos finitos, com o programa FEFLOW 6.2, para dois casos gerais de exploração realizados na mineração, mina subterrânea e mina a céu aberto. Análises numéricas hidrogeológicas em condições de fluxo permanente e transiente para as condições de exploração atuais das minas estão sendo avaliadas. Estas análises abrangem a elaboração do modelo hidrogeológico conceitual, o desenvolvimento de uma sistemática de uso adequado das condições de contorno e de restrição, a calibração do modelo numérico e a verificação das respostas do fluxo subterrâneo gerados pela incorporação de distintos técnicas de controle. No primeiro caso da mina subterrânea, unidade Vazante da empresa Votorantim Metais Zinco S.A., é destinada à lavra em áreas cársticas para o beneficiamento de minério de zinco. Esta mina vem explorando este minério desde 1969 através de processos de lavra a céu aberto, e as atividades subterrâneas tiveram início no ano de Atualmente, a mina de Vazante consiste em níveis

23 23 múltiplos de mineração subterrânea situados abaixo da superfície do lençol freático, onde a remoção da água subterrânea que entra na mina cria um desnível na superfície piezométrica superior ou igual a 180 metros. Este cone de depressão origina altos gradientes hidráulicos na região entre o rio Santa Catarina e as atividades subterrâneas de mineração. O rio Santa Catarina corre do oeste ao leste a aproximadamente 1 km ao sul da mina (Figura 1.1) atravessando superficialmente a região do Dolomito e a área do cone de depressão do lençol freático criado pela remoção da água da mina. Figura Localização da mina subterrânea de Vazante em relação ao rio Santa Catarina e às estações de medição (Votorantim, 2013) Devido à necessidade de conhecer as trajetórias de fluxo subterrâneo e os mecanismos de infiltração na mina (Figura 1.2), testes de rastreamento através de traçadores foram realizados pela empresa DHI no ano de 2013 para ajudar na identificação de caminhos preferenciais geradas pelas feições cársticas, que não tinham sido antes consideradas. Um modelo hidrogeológico mais completo foi considerado neste trabalho em parceria com a DHI para um conhecimento mais realista do comportamento do fluxo que envolve à mina. Portanto, modelagens numéricas das águas subterrâneas são utilizadas para simular esses sistemas de fluxos, e neste caso particular, para a simulação das características do fluxo nos condutos identificados pelos testes de rastreamento. A

24 24 identificação das possíveis trajetórias de fluxo entre pontos à montante da mina de Vazante, as várzeas e margens do rio Santa Catarina e o interior da mina subterrânea permitirão a quantificação de uma eventual contribuição das águas superficiais para a mina subterrânea por meio destas feições cársticas. Neste contexto, uma recalibração do modelo hidrogeológico foi realizada para servir como plataforma na avaliação do efeito de estratégias atenuantes, tais como o reposicionamento ou o revestimento do rio nos locais em que forem registradas perdas ou em que sua existência seja presumida; ou, por último, o fechamento dos condutos formados por dissolução. O modelo proposto nesta dissertação também permite a previsão do efeito da redução das perdas da água do rio sobre a área e sobre a profundidade do cone de depressão existente. Figura Possíveis mecanismos de infiltração desenvolvidos: Infiltração sazonal em resposta a alta precipitação (ex. 205 mm em 5 dias), fluxo em conduto ao longo de cársticos interconectados, e Infiltração através de fraturas e permeabilidade do maciço rochoso (Schlumberger Water Services, 2008) No segundo estudo de caso tem-se a mina a céu aberto, localizada no continente Europeu. A exploração desta mina é de rocha industrial que começou sua atividade pelos anos 50 e que atualmente ainda está em processos de operação. Os trabalhos foram realizados por perfuração e detonação em bancos e bermas descendentes em profundidade e avanço na direção sudoeste. Atualmente, a pedreira tem uma superfície de terreno de mais de 84 hectares. Esta mina se

25 25 situa no interior de uma bacia, formada por quatro arroios, como mostrado na Figura 1.3. O arroio principal discorre bordeando a exploração por seu flanco oeste com direção nordeste para o mar, onde verte suas águas. Esta bacia coincide com a estrutura geológica de um sinclinal e sua extensão aproximada é de 12,4 Km2. Figura 1.3 Localização e traçado do limite físico (línea cheia em vermelho) da mina a céu aberto (Fonte: Google Earth, 2014). Devido às características hidrogeológicas e a própria configuração espacial da pedreira no seu interior, i.e, na cava, há no lugar um fenômeno de afloramento e acumulação de água em volumes importantes, que em alguns momentos sobrepassam as possibilidades de drenagem e provocam inundações. O problema hídrico é devido em grande parte a que a rocha calcária explorada pela pedreira é o sustento de um aquífero livre, cujo nível freático intersecta a superfície da cava e dá lugar a superfícies de infiltração e afloramentos pontuais em forma de mananciais. Para solucionar estes problemas de inundação, atualmente a mina tem incorporado valas perimetrais, valas de distribuição e bombas, por meio dos quais controlam a evacuação e os níveis de água nos frentes explorados, permitindo a continuidade dos trabalhos em condições secas. Contudo, na zona mais profunda da exploração, os trabalhos são paralisados durante as épocas mais chuvosas do ano devido à excessiva acumulação da água (Figura 1.4).

26 26 Figura Fotografia da frente a menor cota da pedreira em condições inundadas no ano de 2010 (Díaz, 2012). Devido à situação atual do espaço mineiro e sua evolução temporal, onde a ocorrência da exfiltração das águas subterrâneas afeta a pedreira, um estudo numérico do fluxo subterrâneo é requerido para este estudo de caso, o qual consistiu primeiramente na conceitualização e calibração do modelo hidrogeológico. Desta forma, as análises de fluxo são realizadas para avaliar as características do sistema de fluxo da mina e na cava bem como de obter uma estimativa numérica de resposta da implementação de diferentes técnicas de controle das águas nas regiões de exfiltração, como o intuito de não apenas extrair a água exfiltrada na região senão também de rebaixar o lençol freático o suficiente para garantir um fator de segurança nas operações mineiras. Objetivos Este trabalho tem como objetivo demonstrar a utilidade de se aplicar modelos numéricos para se fazer em previsões de níveis de água e pressões em atividades de mineração. Para isso foram utilizados os dois casos reais mencionados acima, onde se tentou representar numericamente um conjunto de condutividades hidráulicas como solução singular do sistema hidrogeológico das águas subterrânea para uma determinada região, baseados em dados de monitoramento no campo e no modelo hidrogeológico conceitual, complementados por análises de sensibilidade quando necessário. Esta abordagem é realizada para os dois casos de exploração de minas mais empregados: subterrânea e a céu aberto.

27 27 Distinguir o uso adequado das condições de contorno presentes em projetos de hidrogeologia na mineração, para uma representação do comportamento ou dinâmica do fluxo mais realista em um modelo matemático. Conhecer as respostas do sistema de fluxo subterrâneo, pela impermeabilização de um rio adjacente à mina, como técnica do controle das águas para o caso da mina subterrânea. Avaliar a eficiência das diferentes técnicas de controle de água comumente usadas em casos de mineração superficial, com a finalidade de solucionar tanto os problemas de exfiltração, que podem levar a inundação e na paralização de trabalhos por longos períodos de tempo, quanto garantir condições seguras de trabalho. Escopo da dissertação O presente trabalho foi dividido em seis capítulos. O capítulo 1 corresponde à Introdução deste trabalho de dissertação, que inclui objetivos e escopo da dissertação. O capítulo 2 descreve rapidamente os conceitos fundamentais de fluxo bem como as equações governantes em águas subterrâneas, e ao mesmo tempo é feita a descrição da formulação em elementos finitos para sua solução. O capítulo 3 descreve as técnicas para controle das águas, seus principais aspectos e critérios de projeto, a serem aplicadas em um projeto de mineração subterrânea e a céu aberto. O capítulo 4 compreende a aplicação prática de um caso real de uma mina subterrânea onde se avaliou a importância de representar explicitamente feições cársticas no modelo bem como alternativas de redução de vazão na mina tais como impermeabilização da calha de um rio próximo. Quatro cenários foram avaliados para determinar a solução mais efetiva e econômica. O capítulo 5 apresenta outro estudo de caso, mas, desta vez, aplicado para um projeto de mina a céu aberto, onde as diferentes técnicas de controle de água, descritas no capítulo 3, foram implementadas e seus resultados verificados para a avaliação da eficiência e validade no presente projeto.

28 28 O capítulo 6 compreende as conclusões deste trabalho e as sugestões para futuras pesquisas. Esta dissertação também inclui as referências bibliográficas empregadas nesta pesquisa. Alguns anexos estão sendo incluídos, como os mapas geológicos, que auxiliam ao entendimento das condicionantes geológicas que incluem os estudos de casos desta dissertação.

29 2 Modelagem de águas subterrâneas No sentido mais amplo, um modelo de águas subterrânea pode ser considerado como a soma de múltiplos componentes, com fundamento físico e matemático, que contribui a gerar um sistema hipotético, descrever e predizer mudanças artificiais (tensões aplicadas) ou naturais do sistema Conceitos fundamentais Conceitos, definições, terminologias auxiliam na descrição dos processos de fluxo, particularmente quando envolvem procedimentos numéricos que permitem estudar, prever e calcular respostas apropriadas perante estes fenômenos complexos. Portanto, definições básicas relacionadas ao fluxo de águas subterrâneas em meios porosos (amplamente publicadas na literatura neste assunto, e.g. Bear, 1972 e Bear & Cheng, 2010) são a continuação rapidamente descritas Águas subterrâneas Águas subterrâneas, ou águas sub-superficiais, é o termo usado para denotar toda a água que se encontra abaixo da superfície do terreno, a qual se armazena nos poros entre os grãos minerais, em fraturas, ou em feições cársticas do maciço rochoso. Esta água é geralmente proveniente da precipitação ou pelo derretimento da neve que se infiltra através do solo até se armazenar em unidades rochosas subjacentes. O contorno entre a zona saturada e a zona não-saturada, onde a poropressão é zero (p = 0), relativa à pressão atmosférica, é denominada de superfície freática, também conhecida como nível do lençol freático das águas subterrâneas (Atkinson, 2001). Os materiais que se encontram abaixo desta superfície determinam o comportamento do fluxo, podendo se subdividir em dois grupos: materiais de alta condutividade (tais como rochas fraturadas, pedregulhos

30 30 e areias) que permitem uma drenagem bastante rápida, e por outro lado, materiais de baixa condutividade (tais como argilas e siltes). A movimentação das águas subterrâneas pode ser influenciada por distintos fatores, dos quais, de acordo com Fetter (1994) a principal é a força da gravidade, a qual atua para puxar a água para baixo em direção do centro da Terra. Em segundo lugar está a pressão que vem de cima da zona saturada que gera uma pressão a qual provoca uma movimentação na água. Uma terceira força é aquela referida como atração molecular, a qual provoca que a água se adira aos contornos da superfície sólida criando uma tensão superficial quando estão expostas ao ar Definições Hidrogeológicas A Figura 2.1 apresenta uma ilustração esquemática de um sistema de águas subterrâneas mostrando áreas de recarga e descarga, aquífero confinado, não confinado e em repouso, nível do lençol freático, superfície potenciométrica, camadas confinantes e a direção do fluxo das águas subterrâneas. Poço instalado em um aquífero de pouca pressão Superfície potenciométrica Poço instalado em um aquífero de alta pressão Superfície do terreno Recarga para aquífero não confinado Recarga para aquífero confinado Camada confinante Descarga Aquífero confinado Aquífero não confinado Aquífero colgante Poço em aquífero não confinado Poço em aquífero confinado Fluxo Lençol freático Fluxo na direção do aquífero não confinado Fluxo na direção do aquífero confinado Figura Ilustração esquemática do fluxo de águas subterrâneas (Best, 1998) A seguir uma breve descrição de seus componentes: Aquífero Unidade hidrogeológica que pode armazenar e transmitir água subterrânea a uma vazão suficientemente rápida para abastecer razoáveis quantidades de água aos poços. Camada confinante Unidade hidrogeológica que atua como uma barreira para fluxo ou como selo para um aquifero.

31 31 Aquífero confinado Também conhecido como aquífero sob pressão ou aquífero artesisano. É um aquífero que está contornado e sustentado pela parte superior e inferior por formações impermeáveis. A sua recarga pode ocorrer por infiltração em zonas de afloramento deste aquífero ou, se as camadas confinantes não forem totalmente impermeáveis ou, quando tiver contato com um aquífero não confinado. Aquífero não confinado Também chamado de aquífero freático, delimitado no topo pela superfície freática e na base por uma camada impermeável. Geralmente, este tipo de aquífero é diretamente recarregado desde a superfície do solo acima deste, a não ser que a camada superior seja impermeável. Um aquífero livre é chamado de aquífero livre gotejante se a formação inferior limitante é semi impermeável. Rendimento específico O rendimento específico de um solo (ou rocha) pode ser definido como a proporção do volume de água que, depois de saturado, é drenado por gravidade em relação a seu volume total. No caso de um aquífero freático, a água é realmente drenada dos vazios quando o nível freático tem um rebaixamento. Porém, nem toda água contida nos poros é removida pela drenagem gravitacional. Certa quantidade de água é aprisionada nos interstícios entre os grãos por forças moleculares e tensões superficiais. Por isso, o armazenamento de um aquífero freático é menor do que a porosidade, devido a um fator denominado de retenção específica. (1.1) onde Sy é o rendimento específico, n é a porosidade (todos os poros estão interconectados) e Sr é a retenção específica. Armazenamento específico de um aquífero é a quantidade de água armazenada ou liberada por unidade de volume da formação devido à compressibilidade do arranjo mineral e dos poros com água por variação unitária na componente de carga normal àquela superfície. Coeficiente de armazenamento pode ser definido como o volume de água que um aquífero desprende ou armazena pelos mesmos efeitos por unidade de área superficial (i.e., considerando toda espessura do aquífero em vez de uma espessura unitária como no caso do Sy).

32 32 Para um aquífero não confinado o armazenamento é calculado pela seguinte expressão: (1.2) onde S é o coeficiente de armazenamento, Sy é o rendimento específico, h é a espessura saturada e Ss é o armazenamento específico. Geralmente o Sy é muito maior do que o valor de Ss. Para o caso de aquífero confinado o termo de Armazenamento é igual a onde B é a espessura do aquífero confinado Fluxo em meio poroso e saturado (1.3) Equação governante O desenvolvimento da equação governante para fluxo em meios porosos é determinado ao considerar os fluxos de entrada e saída através de um volume representativo do domínio (REV Representative Elementary Volume), i.e., a equação de balanço de massas em combinação com a lei de Darcy resultando na seguinte expressão (1.4) que ao ser resolvida calcula a carga hidráulica h (variável primária) para posteriormente calcular a velocidade de Darcy q, onde Ss é o coeficiente de armazenamento específico, K é o tensor de condutividade hidráulica e Q é uma função geral de fonte/dreno. Usualmente, q é substituído pela equação de Darcy para obter a equação governante do tipo Richards (Diersch, 2013) na forma (1.5) onde o termo fonte/dreno Q = Qh + Qhw é dividido em duas parcelas, Qh como fonte de recarga (e.g. precipitação) e Qhw como fonte poço (extração ou injeção). A equação diferencial parcial, Eq. (1.5), tem de ser resolvida para a variável

33 33 primaria h submetida às condições de contorno do tipo Dirichlet, Neumann, Cauchy, e do tipo poço. Γ, Γ, Γ, Ω, (1.6) onde hd é a carga hidráulica conhecida imposta no contorno Dirichlet ΓD, qh é o fluxo conhecido imposto no contorno Neumann ΓN e -Φh (hc - h) como condição de transferência de fluxo, a qual depende da carga hidráulica calculada, hc, e de referência no contorno Cauchy, ΓC. Para análises em regime transiente é necessário partir de uma condição inicial, h 0., Ω (1.7) O contorno total do domínio seria dado por Γ = ΓD + ΓC + ΓN. Uma vez que a carga hidráulica tenha sido resolvida, a variável secundária (velocidade de Darcy), q = -K h, pode ser avaliada como uma quantidade derivada da carga hidráulica h, onde os principais parâmetros para resolver a Eq.(1.5) são: condutividades [KXX], [KYY] e [KZZ], precipitação, rendimento específico, coeficiente de armazenamento, fontes ou drenos, coeficiente de transferência infiltração/exfiltração, e propriedades não saturadas. As equações básicas para fluxo em aquífero não confinado e confinado em um meio contínuo saturado são estabelecidos como h (1.8) h (1.9) que para o caso de aquífero não confinado, Eq. (1.8), a espessura saturada B varia em função da carga hidráulica calculada B = h - f B (Figura 2.2), e o termo de coeficiente de armazenamento aparece como S = + BSs, sendo que a porosidade efetiva,, poderia ser aproximada ao rendimento específico Sy, segundo Bear (1972). Para o caso de aquífero confinado, Eq. (1.9), a espessura saturada B = f T - f B é fixa (Figura 2.2), e o termo de armazenamento é reduzido para S= SS B.

34 34 Zona não saturada Confinado Não confinado Zona saturada Nível de referência Figura Condição confinada e não confinada em aquífero - seção vertical (Diersch, 2013) Formulação de elementos finitos (MEF) Os conceitos fundamentais do MEF são amplamente conhecidos e estudados por diversos autores 2. Em geral esta formulação é baseada no método de Galerkin para resolver a equação governante de fluxo (Eq.1.5), (Eq.1.8) e (Eq.1.9) associados com as suas respectivas condições de contorno e iniciais, resultando assim na forma variacional: Da equação (Eq.1.5) tem-se: Ω h Ω Ω h Γ 0, Ω (1.10) onde w é a função de ponderação do método de Galerkin. E a função da carga hidráulica é aproximada da seguinte forma,, 1,, (1.11) Portanto, a formulação do método dos elementos finitos baseada no método de Galerkin é apresentada da seguinte forma 2 Para maior informação acerca da notação proposta, revisar Diersch, 2013.

35 35 Ω Γ Ω Ω (1.12) Γ Γ Γ 0, 1, Logo, para formar o sistema da matriz de rigidez global é usado o processo de montagem, onde contribuem todos os elementos finitos discretizados espacialmente, resultando assim, em uma forma simplificada, a Eq. (1.13). 0 (1.13) sendo, (1.14) onde O, C e F representam as matrizes e vetores da Eq. (1.13) Ω Ω Ω Γ Γ Γ Γ Γ (1.15) para (i,j = 1,..., NP) e (e = 1,..., NE) sendo NP o número de pontos e NE o número do elemento finito Modelo conceitual para fluxo de águas subterrâneas O modelo conceitual é uma representação simplificada das características essenciais do sistema físico hidrogeológico e do seu comportamento hidráulico, no qual diversas assumpções são feitas porque a completa reconstrução do sistema não é possível, além de que raramente existem dados que abrangem todo o

36 36 sistema já seja espacial ou temporalmente. O modelo conceitual deve ser desenvolvido usando o princípio de simplicidade, i.e., o modelo deve ser tão simples quanto possível, porém, mantendo uma complexidade o suficiente para: (i) representar adequadamente os elementos físicos do sistema, (ii) reproduzir o comportamento do sistema a ser estudado; e (iii) facilitar as respostas relacionadas aos objetivos da modelagem. A verificação do modelo conceitual pode ser feita ao converter este em um modelo matemático e calibrando-o com os dados de campos observados, e.g.; cargas hidráulicas observadas versus cargas hidráulicas medidas no campo. O modelo conceitual normalmente envolve um processo iterativo e deve ser continuamente atualizado enquanto novos dados estejam disponíveis ou enquanto o entendimento do sistema seja melhorado Domínio e contornos do modelo Na maioria dos casos, o domínio do modelo conceitual será o mesmo que o domínio usado para o modelo numérico ou poderia ser maior se o projeto usar diferentes sub-modelos para cobrir diferentes aspectos do lugar (e.g., um modelo numérico separado para representar a mina a céu aberto e outro para representar sua barragem de rejeitos). De acordo com Wels et al. (2012), os contornos mais comuns usados na modelagem de águas subterrâneas em projetos de grande envergadura, como na mineração, incluem: Linhas divisórias de água da bacia (representando linhas de fluxo divergente) Vales (representando linhas de fluxo convergente) Corpos de água de grande volume tais como oceanos, lagoas, rios (representando áreas com carga hidráulica conhecida) Contornos geológicos tais como contatos de rocha impermeável ou falhas (representando caraterísticas de grande escala nas quais o comportamento hidráulico é conhecido ou assumido) Condição de fluxo nulo perpendicular às linhas de fluxo

37 Unidades hidrogeológicas e propriedades hidráulicas As unidades hidrogeológicas são materiais geológicos (ou grupo de materiais) que têm propriedades hidráulicas suficientemente similares, de tal forma que possam ser consideradas como unidades hidráulicas para o propósito de estudo hidrogeológico. O modelo conceitual considera as propriedades das maiores unidades hidrogeológicas, tais como: condutividade hidráulica (k), parâmetros de armazenamento (S), armazenamento específico (Ss), rendimento específico (Sy) ou porosidade específica ( ) Recarga e descarga das águas subterrâneas A recarga das águas subterrâneas é definida como o fluxo de água descendente que atinge o nível freático acrescentando o armazenamento das águas subterrâneas (Healy, 2010). A recarga das águas subterrâneas ocorre de forma difusa (Direta) ou por meio de mecanismos focalizados (Indireta). Recarga difusiva é distribuída ao redor de grandes áreas em resposta da infiltração da precipitação na superfície do solo percolando através da zona não saturada até atingir o nível freático, sendo esta a principal fonte de infiltração ao sistema das águas subterrâneas (Healy, 2010). Recarga focalizada é o movimento a partir de corpos de águas superficiais, tais como, rios, canais, ou lagoas. Descargas das águas subterrâneas podem ser definidas como o fluxo que abandona a área em estudo ou as que descarregam nas águas superficiais. Por exemplo, neste mecanismo a Evapotranspiração (ET) pode ser considera um sistema de descarga, sendo esta definida como a água removida por efeitos combinados de evaporação a partir da superfície de terreno e transpiração pelas plantas a partir das suas raízes. Geralmente, a ET é considerada ativa nas zonas das raízes, i.e., até uma profundidade de 4 a 6 metros abaixo da superfície. Em áreas de recarga das águas subterrâneas (e.g. áreas de grandes elevações) o nível das águas subterrâneas esta tipicamente abaixo das zonas das raízes e a ET é tomada em conta implicitamente (i.e., por ajuste da recarga). Em áreas de planície, a descarga de águas subterrâneas (e.g. vales, terrenos úmidos) o lençol freático

38 38 está próximo da superfície e a influência da ET no balanço das águas subterrâneas pode ser significante e poderia ser tomado em conta explicitamente Interação águas subterrâneas e águas superficiais A interação das águas subterrâneas com as superficiais é um aspecto crítico na avaliação dos impactos ambientais. Esta iteração ocorre na maioria das bacias e é governada pela diferença entre o nível do lençol freático e a elevação das águas superficiais (Winter et al., 1998). Se o nível do lençol freático é maior que o nível de água da corrente superficial, as águas subterrâneas descarregam nas águas superficiais (Figura 2.3a). Se o nível de água da corrente superficial for maior do que o nível do lençol freático, as águas superficiais servem como fonte de água para as águas subterrâneas (Figura 2.3b). Outro caso identificado é quando o lençol freático está abaixo do fundo da corrente de água, tal caso é identificado como fontes desconectadas (Figura 2.3c). Figura Representação esquemática (a) lençol freático maior que o nível do rio (b) lençol freático menor que o nível no rio (c) corrente do rio desconectada do aquífero (Reproduzido de Winter et al., 1998) Balanço de massa das águas subterrâneas O balanço de massas proporciona uma relação quantitativa entre os diferentes aspectos do modelo de fluxo conceitual, i.e., a recarga das águas subterrâneas (infiltração) e a descarga das águas subterrâneas (exfiltração). Na maioria dos casos uma análise em estado de fluxo permanente para a avaliação do balanço de massas é adequada para a formulação do modelo conceitual. Um balanço de massas em estado transiente (o qual toma em conta as variações da infiltração/exfiltração em função do tempo, assim como do seu armazenamento) é requerido no modelo conceitual só se o aspecto transiente do fluxo for o foco do estudo.

39 Configuração da modelagem numérica Em essência, a configuração do modelo numérico representa os processos de conversão do modelo conceitual qualitativo em um modelo numérico, i.e., um conjunto complexo de equações matemáticas que podem ser resolvidas numericamente em quanto as seguintes definições sejam bem delineadas Delimitação do domínio A delimitação do domínio é dependente da seleção dos contornos externos adequados, sendo preferível usar características hidrogeológicas físicas conhecidas para controlar o fluxo das águas subterrâneas tais como linhas divisórias nas bacias, lagoas, etc. (item 2.2.1) Discretização horizontal e vertical Uma vez definido o domínio do modelo numérico, sua discretização é representada quer seja por uma malha ortogonal (método das diferenças finitas) ou por uma malha de elementos 3D (método dos elementos finitos), onde um grau de resolução espacial maior vai determinar a precisão e convergência da solução, porém, adicionando um esforço computacional. Como já é sabido o uso de uma malha de elementos finitos fornece maior flexibilidade e maiores vantagens em comparação com a malha das diferenças finitas, em relação a uma discretização adequada do modelo numérico. Os tamanhos dos elementos devem ser os suficientemente pequenos para representar todas as características de interesse, mantendo um refinamento suavizado em locais de importância. É recomendável começar com uma malha relativamente grosseira e ir posteriormente refinando aos poucos ou até atingir resultados estáveis e a precisão requerida. Uma malha muito refinada não alterará significativamente os resultados, porém, acrescentará em grande medida o esforço computacional. Uma discretização vertical pode ser requerida em um modelo de águas subterrâneas para representar explicitamente as variações de propriedades

40 40 hidráulicas com a profundidade ou simplesmente para fornecer uma melhor resolução dos gradientes verticais. Dois enfoques são comumente usados para representar a discretização do modelo conceitual na dimensão vertical: (i) camadas numéricas deformadas e (ii) camadas numéricas uniformes. Camadas deformadas têm contornos de capa usualmente seguindo às superfícies das unidades hidrogeológicas, permitindo uma continuidade horizontal. Por outro lado, o enfoque de camadas uniformes tem vantagens de simplicidade e de solução estável, mas podendo requerer uma maior discretização vertical para poder descrever adequadamente a espessura das unidades hidrogeológicas gerando, desta forma, um maior tempo de cálculo computacional (ver Anderson & Woessner, 1992 para maior detalhe) Condições e restrições de contorno Condições e restrições de contorno são expressões matemáticas que procuram representar o estado de um sistema físico, e a sua vez, restringir as equações do modelo matemático. Estas geralmente representam as entradas e saídas do fluxo de água dentro do sistema com limitantes impostas para ter uma solução mais controlada. A sua representação e entendimento para o uso adequado destas dentro do modelo é muito importante devido a que uma condição de contorno hidrogeológica física poderia ser representada em mais de uma forma. Um sistema de fluxo de águas subterrâneas é geralmente um conjunto de condições de contornos de cargas e fluxos, sendo recomendável evitar o uso só de condições de fluxo sem a imposição de contornos de carga, devido a que esta configuração poderia gerar problemas de não singularidade. As condições de contorno para modelar o fluxo das águas subterrâneas são geralmente agrupadas em dois tipos conceituais: Contornos físicos e Contornos hidráulicos: Contornos físicos: são formados pela presença de corpos grandes de águas superficiais, pela presença de uma unidade hidrogeológica de permeabilidade muito baixa ou por uma barreira artificial, etc. Este tipo de contorno praticamente não muda em resposta do fluxo das águas subterrâneas ou tensões aplicadas nestas.

41 41 Contornos hidráulicos: (ou contornos artificiais) incluem divisórias de águas subterrâneas e linhas de fluxo assim como contornos de carga constantes que representam corpos de águas superficiais. Este tipo de contorno não apresenta bons resultados em simulações em estado transiente, em simulações preditivas ou perante a imposição de tensões no sistema. Seu uso deve ser avaliado para determinar se seus erros poderiam ser acetáveis no modelo Contorno de fluxo nulo (Linha de fluxo ou Fluxo zero) O contorno de fluxo nulo não permite que o fluxo de águas subterrâneas atravesse este contorno. Na maioria dos programas numéricos todas as superfícies externas e bordas do domínio do modelo são por definição fluxo nulo a menos que outro tipo de condição de contorno seja aplicado. Isto significa que um modelo de fluxo 3D não simulará nenhum efeito de Seepage ou runoff, enquanto uma condição de contorno especial esteja colocada. Existem muitas aplicações comuns de fluxo nulo, tais como: Divisória de águas subterrânea: seu uso é justificado apenas quando a tensão atuante no sistema tem um efeito desprezível sobre a posição deste contorno. Contornos impermeáveis: são unidades hidrogeológicas as quais são consideradas como impermeáveis para propósito de modelagem, i.e., quando as condutividades hidráulicas dessas unidades diferem em várias ordens de grandeza em relação às outras. Perfis de modelos: em estruturas de engenharia, tais como barragens de terras, os contornos laterais têm tipicamente linhas de fluxo hidráulicas paralelas, e perpendicularmente a estas o fluxo nulo existe. Nestes casos é recomendável pegar uma seção que corresponda a 3 vezes a profundidade da estrutura. Outros tipos de estruturas que poderiam ser consideradas como fluxo nulo são os paredes cut-off, cortinas de grout, geomembranas e liners.

42 Condição de contorno tipo 1 ou de Dirichlet, Γ, (1.16) ã á é çã Γ Γ Contorno de carga constante: representa uma carga hidráulica que não muda com o tempo e não é afetado pelo sistema de águas subterrâneas simuladas. Usualmente é usado para representar grandes corpos de água, os quais não são afetados pelas tensões aplicadas no sistema (e.g. grandes lagoas ou rios, mar, etc.) como ilustrado na Figura 2.4. Outro uso é para representar as cargas hidráulicas observadas no campo (e.g. a elevação do lençol freático). Contorno de carga geral especificada: representa uma carga hidráulica a qual poderia mudar em tempo e espaço. É usualmente empregado para gerar gradientes hidráulicos que representem condições de carga que se encontram muito afastados do modelo (e.g. o mar), reduzindo o domínio do modelo para um tamanho menor. Na maioria dos casos esta condição é fixa no espaço, mas poderia mudar em função do tempo para simulações em estado transiente (e.g. avanço da escavação de uma mina a céu aberto avançado a lavra para uma mina subterrânea). Lagoa Lagoa (modelo externo) Aquífero Aquífero (dentro do modelo) Contorno do modelo: carga hidráulica fixa Figura Condição de contorno tipo 1- carga constante (DHI Wasy, 2014) Condição de contorno tipo 2 ou de Neumann Neste tipo de condição de contorno o fluxo de águas subterrâneas é especificado através dos contornos (nó, linha, superfície) e pode ser uma função de espaço e de tempo.

43 43 Contorno de fluxo constante: comumente usados para representar pontos ou linhas fontes de recarga-descarga, constantes em espaço e tempo, como mostrado na Figura 2.5. Modelo exterior Aquífero Área domodelo Maciço rochoso (impermeável) Contorno do modelo: Condição de fluxo fixo Área externa modelo Área de modelo Figura Condição de contorno tipo 2 (DHI Wasy, 2014) Contorno de fluxo especificado: é usualmente empregado para representar recargas que variam com o tempo (e.g. a precipitação) Condição de contorno tipo 3 ou de Cauchy, Γ, (1.17) A característica principal deste tipo de condição é que o fluxo imposto como condição vai ser dependente da carga hidráulica calculada e da carga hidráulica de referência. Sendo portanto o fluxo uma função especificada que varia na solução do problema enquanto a carga hidráulica variar. O uso mais comum deste tipo de condição é para representar fluxos de entradas ou saída nos rios, para os quais, certos tipos de condições têm que ser avaliados. A formulação da condição de contorno tipo 3 é baseada na relação de transferência entre o valor da carga hidráulica de referência hc no contorno e a carga hidráulica a ser calculada, h, na mesma posição, originando, dessa forma, dois casos:,, Infiltração: quando a carga hidráulica de referência é maior do que a carga hidráulica calculada na mesma posição, como mostrado na Figura 2.6.

44 44 Infiltração Superfície livre Figura Fluxo de Infiltração ao aquífero (Diersch, 2013) Exfiltração: quando a carga hidráulica de referência é menor do que a carga hidráulica calculada na mesma posição, como mostrado na Figura 2.7. Exfiltração Superfície livre Figura Fluxo de Exfiltração ao rio (Diersch, 2013) Condição de contorno tipo poço multicamadas Este tipo de condição de contorno é muito eficiente quando se trata de injeção ou extração de água através de poços em sistemas de aquíferos 3D, nos quais podem existir diferentes camadas ou formações heterogéneas, onde poços de bombeamento parcialmente penetrantes têm de ser impostos, como esquematizado na Figura 2.8. Este tipo de condição no programa FEFLOW envolve um método, o qual impõe uma alta condutividade (elemento discreto 1D tubular) para representar o poço e a superfície deste (Well Screen). A alta condutividade do poço garante uma carga uniforme ao longo deste elemento com um ligeiro gradiente em direção ao ponto de descarga.

45 45 Poços de bombeamento multicamada Aquífero Tela do Poço Aquitardo Aquífero Característica discreta 1D Figura Sistema de aquíferos contendo o poço de bombeamento multicamadas (Diersch, 2013) Superfície livre A superfície livre é um contorno móvel onde a carga hidráulica é igual à carga de elevação (pressão = 0 kpa) do contorno. Para o tratamento e solução deste contorno o FEFLOW considera dois enfoques: Malha fixa e Malha móvel (Figura 2.9). Para maiores informações destes dois enfoques, revisar Diersch (2013). Zona não saturada inclusão-exclusão Superfície livre Zona saturada Malha invariante Malha ajustada para superfície livre Figura (a) Superfície livre em Malha fixa (b) Superfície livre em Malha móvel, (Diersch, 2013) Superfície livre 3D com malha fixa e condições de pseudo-não saturação Uma malha fixa tende a imitar, na medida do possível, as condições de fluxo não saturado para controlar os processos de solução dos elementos de malha saturados, parcialmente saturados, ou secos. Neste método a superfície livre

46 46 existirá apenas nos elementos parcialmente saturados, onde a superfície freática descansa no interior do volume de elemento. Deve se enfatizar que uma modelagem com enfoque de pseudo-não saturação é adequado para calcular a posição da superfície livre, porém, não é adequado querer representar um verdadeiro regime de fluxo não saturado, devido a que este método não trabalha em si com parâmetros verdadeiros de uma análise de fluxo de solo não saturado. A vantagem deste método é a sua simplicidade e robustez, mas a sua eficiência é usualmente inferior ao enfoque de uma malha móvel em relação à precisão atingida Superfície livre 3D com malha móvel Este enfoque é caraterizado por mover o topo do modelo de tal forma que a elevação do primeiro slice 3 coincida sempre com a elevação da superfície livre. Neste enfoque, não é apenas ajustada o primeiro slice, senão também todos os slices interiores do modelo, de tal forma que nenhum destes se intercepte, e a ao mesmo tempo mantenham uma densidade adequada da discretização. Malha móvel é um método particularmente bom para casos onde os movimentos do lençol freático são esperados dentro de uma camada numérica. Em sistemas de aquíferos complexos com grandes gradientes este enfoque deixa de ser aceitável Convergência do modelo Na maioria dos casos, modelagens de águas subterrâneas geram grandes sistemas de equações algébricas, para os quais, métodos de solução direta (e.g. Eliminação de Gauss) podem ser bastante ineficiente devido a que o esforço computacional é proporcional ao tamanho da matriz rigidez. Contudo, existem métodos iterativos que resolvem estes sistemas de equações baseados em uma aproximação da solução, onde o esforço computacional que demandam estes 3 Superfície entre camadas numéricas no FEFLOW.

47 47 métodos também depende do tamanho da matriz rigidez, porém, em menor medida. O princípio do procedimento da solução iterativa é criar uma primeira estimativa inicial da solução h 0 e logo aplicar um esquema de recorrência (e.g. iteração de Richardson) para gerar uma sequência de novas aproximações h 1, h 2,..., até convergir na solução mais aproximada h. Uma das desvantagens deste método é que a razão de convergência poderia ser lenta ou que inclusive problemas de divergência poderiam ocorrer. Este método requer de um critério de parada, para o qual o processo de iteração é finalizado, e assim poder considerar a solução aproximada como uma solução suficientemente precisa. O ponto crucial dos métodos de iteração é encontrar uma estratégia para uma razão rápida de convergência. Existe uma ampla variedade de métodos iterativos para resolver sistemas de equações, dentre os mais importantes tem-se: Método do gradiente conjugado (CG) Método do resíduo mínimo ortogonal (ORTHOMIN) Método do resíduo mínimo generalizado (GMRES) Método Lanczos da raiz do gradiente conjugado (CGS) Método Lanczos estabilizado do gradiente bi-conjugado (BiCGSTAB) Método da multigrelha (MG), em particular o método da multigrelha algébrica (AMG). Para melhorar o comportamento de convergência destes métodos iterativos, estes são usualmente utilizados em combinação com as técnicas denominadas de pré-condicionamento, as quais transformam o sistema básico de matriz de tal forma que este se torna em um sistema mais adequado de se resolver Pré-condicionamento Uma importante propriedade da matriz rigidez A é determinada pelo número de condição k(a), definida como: (1.18) o qual caracteriza a razão entre o máximo e mínimo dos autovalores /. Problemas para o qual k é grande são denominados de mal-

48 48 condicionados, e quando k não é muito grande são denominados de bemcondicionados. Tipicamente um alto contraste entre os parâmetros gera um número de condição muito grande. Devido a que os autovalores influenciam significativamente no comportamento de convergência do método iterativo, este poderia melhorar se o k diminuísse 1. Isto é possível mediante uma adequada transformação da matriz A, de tal forma que o método iterativo convergia muito mais rápido. Este tipo de modificação é denominado de pré-condicionamento Calibração das águas subterrâneas e análise de sensibilidade A calibração é o processo que consiste em encontrar o conjunto de parâmetros, condições de contorno e tensões do sistema, que reproduzem umas cargas hidráulicas e fluxos simulados coincidentes com os valores reais medidos no campo, assumindo uma faixa de erro pré-estabelecido. Encontrar este conjunto de valores equivale a resolver o que se conhece como o problema inverso (Anderson & Woessner, 2002). Nos estudos de casos apresentados nesta dissertação o parâmetro hidráulico que será modificado em cada processo da calibração será a condutividade hidráulica das unidades hidrogeológicas Técnicas de calibração A calibração do modelo numérico pode ser feito pelos métodos: tentativa-eerro, métodos automatizados, ou por uma combinação dos dois Calibração manual Tentativa e Erro Este método consiste em trocar os parâmetros de entrada no modelo manualmente até melhorar a relação entre os parâmetros de saída do modelo com os valores de parâmetro obtidos no campo. A principal vantagem deste método é que fornece ao modelador uma maior percepção dos fatores que controlam o sistema.

49 Calibração para a estimação de parâmetros automatizada Estimação de parâmetros automatizada envolve o uso de um ou mais códigos computacionais especialmente desenvolvidos para realizar a calibração do modelo, os quais já resolvem o problema inverso. Na atualidade existem diversos softwares capazes de resolver este método, sendo os principais os códigos que trabalham com FEFLOW e MODFLOW Dados necessários para calibração Os dados (observados) de calibração devem ter idealmente uma distribuição espacial em todo o modelo, e no caso de uma calibração em regime transiente, uma distribuição espacial e temporal dos dados observados é necessária. A não singularidade durante a calibração do modelo pode se acrescentar devido a que diferentes conjuntos de parâmetro de entrada no modelo produzem saídas aproximadamente idênticas (Brown, 1996). E para compensar este efeito outro parâmetro de controle deveria ser empregado, o qual poderia corresponder a fluxos de saída ou pressões conhecidas no campo Avaliação da calibração Avaliação qualitativa De acordo ASTM (D ), esta avaliação deve considerar os seguintes aspectos: Características gerais do fluxo A avaliação deste tipo consiste em usar distribuições espaciais dos padrões de fluxo de águas subterrâneas baseados em planos potenciométricos e comparálos com o campo de fluxo obtido após do processo de simulação, verificando, desta maneira, a inexistência de incoerências. Condições hidrogeológicas Identificar as diferentes condições hidrológicas que são representadas pelo conjunto de dados disponíveis. Escolher um conjunto de dados a partir de cada

50 50 condição hidrológica a ser usado na calibração, e usar o restante na sua verificação. De acordo com a ASTM (D ), quando só um conjunto de dados é disponível não é aconselhável separar artificialmente dados para a calibração e para a verificação. É mais importante calibrar os dados de cargas piezométricas que abrangiam na medida do possível todo o domínio modelado Avaliação quantitativa Existem muitos métodos para avaliar quantitativamente a qualidade do ajuste entre os parâmetros medidos e modelados. A seguir são consideradas as avaliações estatísticas mínimas, recomendadas pela norma ASTM (D ), 2002, que devem ser desenvolvidas em um modelo hidrogeológico. Carga potenciométrica residual Calcula os residuais (diferenças) entre as cargas medidas e as observadas (1.19) onde ri é o residual, hidráulica medida (hm) e a carga hidráulica calculada (hc). Se o residual for positivo, então a carga calculada é muito alta, e se negativo, então a carga calculada é muito baixa. Erro Médio (ME) É a diferença entre a carga hidráulica medida (hm) e a carga hidráulica calculada (hc) pelo programa FEFLOW, sendo (n) o número total de dados comparados, Wi é o fator de ponderação de confiança baseado no julgamento do modelador. Erro Médio Absoluto (MAE) 1 n (1.20) É a diferença entre a carga hidráulica medida (hm) e a carga hidráulica calculada (hc) pelo programa em valor absoluto, sendo (n) o número total de dados comparados.

51 51 1 n (1.21) Erro da Raiz Média Quadrática (RMS) É a raiz quadrada da média das diferenças dos valores comparados, cargas hidráulicas medidas (hm) e as cargas hidráulicas calculadas (hc) elevadas ao quadrado, sendo (n) o número total de dados comparados. 1 n 2 (1.22) Coeficiente de correlação (R) O coeficiente de correlação R é uma medida da correlação do conjunto de dados, e, R 2 é o coeficiente de determinação. O cálculo de R requer a média e o desvio padrão das cargas hidráulicas calculadas e medidas. Em problemas de modelagem hidrogeológica um modelo é considerado calibrado quando o coeficiente de correlação é no mínimo de 0, Análise de sensibilidade Depois do modelo de fluxo de águas subterrâneas ter sido calibrado, uma análise de sensibilidade poderia ser feita dependendo da disponibilidade dos dados, para avaliar quantitativamente a relação entre os resultados do modelo e as propriedades hidráulicas (ou condições de contorno do aquífero). Para cada valor de cada grupo de entrada de parâmetros o modelo deve ser rodado novamente calculando os residuais correspondentes em resposta dos novos valores usados, os quais podem ser verificados por meio de gráficos para cada tipo de análise de sensibilidade. De acordo com a ASTM (D ), 2002, existem 4 tipos de análises de sensibilidade dependendo de que tão sensível é o modelo perante as variações dos parâmetros de entrada, que de acordo a sua significância nas mudanças podem ir desde tipo I até tipo IV. Se a análise de sensibilidade não for realizada, deve ser justificada porque esta não foi efetivada.

52 3 Controle das águas em projetos de mineração 3.1. Introdução Existem muitas evidências ao longo da história da civilização em que o homem mostrou ter feito tentativas para efetivar o controle das águas e este processo não é tão simples como parece (Powers et al., 2007). Hoje em dia é de grande importância o entendimento dos diferentes processos utilizados no gerenciamento do controle das águas subterrâneas na mineração, onde mesmo em situações simples, a matemática do fluxo subterrâneo é complexa, e aquíferos naturais estão longe da simplicidade. A infiltração das águas a partir de estratos circundantes para o interior da cava 4 ou pedreira 5 requer da implementação de um sistema de controle para um processo de rebaixamento com o intuito de assegurar que o lugar de trabalho permaneça seco. Neste tipo de processos, um conceito mal interpretado de uma análise não associada com julgamentos hidrogeológicas faz com que o procedimento de rebaixamento seja afirmado como um processo a ser realizado em qualquer lugar onde há problemas relacionados com a água. Contudo, este processo é mais do que um simples rebaixamento da superfície piezométrica, e vai além do que meramente instalar um poço de bombeamento Conceito de rebaixamento e controle de águas O processo de rebaixamento e monitoramento do nível do lençol freático é difícil, caro e frequentemente confuso. Este encarecimento significativo incentivou pelos anos 50 o desenvolvimento de técnicas práticas para ensaios e 4 É a escavação a céu aberto em forma de um enorme buraco, com bancadas (degraus) descendentes para a extração de bens minerais. O material escavado é composto de mineral estéril. 5 Região escavada que pode ter as dimensões de uma cava cujo material extraído é usado na construção de obras civis.

53 53 análises em aquíferos, direcionados para o abastecimento de água e irrigação, como as propostas pelos hidrologistas Muskat, Theis, Jacob, Hantush e outros; e esses métodos foram depois adaptados à solução de problemas de rebaixamento do lençol freático. De acordo com Hall (2003), o rebaixamento do lençol freático envolve a remoção de uma quantidade de água da massa rochosa ou perfil de solo, de tal forma que os níveis de água sejam rebaixados para brindar segurança e economia à mina. Fisicamente este processo é definido como uma drenagem dos poros dentro da massa do solo ou rocha, e que resulta no rebaixamento do lençol freático. Quando aplicado na indústria da mineração, os processos de rebaixamento do lençol freático e controle das águas, por criarem o cone extensivo de depressão, causam benefícios principalmente por reduzirem os custos de explosão, i.e., quando o minério está seco, menos emulsão explosiva é requerida, reduzindo até os custos de transporte (combustível) e o desgaste da máquina e também melhora na trafegabilidade e qualidade do minério (Rowe & Beale, 2007). Porém, a aplicabilidade destes processos deve ser bem conceitualizada, onde uma análise técnico-econômica deva ser amplamente avaliada para que somente o necessário seja executado pela indústria da mineração para um bom funcionamento dos processos de mineração, de tal forma que a natureza não se veja afetada por estas mudanças. Técnicas para o controle das águas devem ser postas em práticas para idealizar um sistema que não seja antieconômico e que ao mesmo tempo não prejudique à natureza Despressurização de taludes Este mecanismo de despressurização é um problema comum em taludes profundos em projetos de mineração, que requerem reduzir o potencial de pressão excessiva dentro dos taludes da cava. Também, apresenta-se como levantamento do chão da cava sob a presença de sequências de aquíferos embebidos em camadas fracas de aquicludes. Embora a flutuação da poropressão seja um fator importante que contribui ao deslizamento, é muito importante entender as reais interações da poropressão que ocorrem em uma superfície de deslizamento ao

54 54 longo da profundidade devido à natureza complexa das condições hidrogeológicas (Tsao et al., 2005). Em minas a céu aberto, mais de 40% dos riscos de instabilidade de taludes dependem das suas condições de fluxo. Consequentemente, o ângulo que um talude a ser escavado em segurança deve ter é definido em função do campo de poropressões presentes neste. Assim, para prevenir a sua ruptura, um sistema de drenagem deve ser instalado. Para Powers et al., 2007; Atkinson, 2001 e Brown, 1981, a importância do controle das águas superficiais nos taludes é destacada. Quando um talude é despressurizado ao máximo possível, a inclinação deste pode suportar um acréscimo de 10 a mais do que um talude em condições saturadas, e isto é possível de ser aplicado de maneira vantajosa quando se trabalha com projetos de mineração, devido a que este reduz consideravelmente os volumes de corte. Esta atividade é considerada neste tipo de projetos como uma solução muito efetiva e ainda econômica Técnicas de controle das águas em minas subterrâneas Métodos de controle consistem na prevenção (limitação da infiltração das águas, ou do bombeamento antes de que estas entrem na mina), ou no bombeamento da água desde a mina. Existem diversas técnicas de controle, mas só algumas destas são práticas e economicamente aplicáveis para minas subterrâneas. A continuação uma breve descrição das técnicas mais implementadas: Impermeabilização da superfície de terreno Congelamento do terreno Grouting Drenagem de mina Impermeabilização da superfície do terreno Este método consiste na impermeabilização de fontes de águas superficiais (e.g., rios) que descarregam água no aquífero, a qual poderia percolar em direção à mina. Este método foi usado com sucesso em várias minas ao redor do mundo.

55 55 Na mina Neves-Corvo no Portugal, o selamento do curso de um rio foi feito com concreto reforçado e injeção de shotcrete nas bancas do rio (Figura 3.1), o que reduziu substancialmente o fluxo de infiltração à mina (Carvalho et al., 1990). Outra impermeabilização com resultados exitosos do curso de um rio que fluía ao redor de uma área impactada por subsidência foi reportada em Konkola Mine na Zambia (Freeman, 1970). Nesta mina foram seladas as trincas geradas por subsidência. Esta técnica está sendo aplicada neste trabalho de dissertação para o caso da mina subterrânea (Capítulo 4) avaliando a impermeabilização parcial ou total do rio circunjacente à mina de Vazante. Legenda Margem esquerda Seção transversal Margem direita Aluvião Embasamento rochoso Concreto Malha de aço Ancoragem 0,3 m >4 m 0,3 m Seção longitudinal 100 m Figura Esquematização dos trabalhos de concreto no rio Oerias (Carvalho, 1990) Congelamento do terreno O princípio deste método é tornar a água do solo em uma parede de gelo, geradas pela circulação de um fluido criogénico dentro de um sistema de tubos verticais, os quais são instalados ao redor do objetivo, gerando, dessa forma, um muro completamente impermeável (cut-off). O congelamento pode ser um método muito eficiente em determinadas condições hidrogeológicas, porém, a avaliação

56 56 econômica é muito importante devido a que este método é muito custoso não sendo normalmente viável sua aplicação em minas subterrâneas, mas existem muitos registros exitosos do seu uso na impermeabilização dos shaft. A diferença de outros métodos de cut-off, congelamento do terreno é uma técnica pouco invasiva, já que esta requer menos penetração em comparação com os outros métodos, devido a que sua efetividade propaga-se termicamente. Uma vez instalado este sistema de piping, o congelamento do terreno permanece ativo em quanto o sistema esteja operando, uma vez que o sistema parar, o meio subterrâneo volta a seu estado inicial Grouting Embora o grouting tenha diversas aplicações, neste caso, o principal objetivo é de eliminar ou de reduzir o fluxo das águas subterrâneas nos trabalhos de mineração subterrânea propostos ou existentes. Seja qual for o problema de infiltração é necessário que as causas sejam estudadas completamente antes de aplicar o método de grouting adequado. Existem 2 fases principais na vida útil de uma mineração subterrânea, onde de alguma forma o grouting para o controle das águas é requerida: (i) (ii) Desenvolvimento e comissionamento Durante a construção do shaft ou superfícies de desvio e desenvolvimentos preliminares da mina subterrânea para ganhar acesso ao corpo mineralizado. Produção/operação Quando se trata com problemas de águas subterrâneas no avanço da produção ou na construção de novos caminhos subterrâneos. Tipicamente esta técnica consiste em perfurações em torno de 90 mm de diâmetro, realizadas até as profundidades estabelecidas no projeto. Em terreno seco o furo realizado é lavado e, posteriormente, o cimento de grout é injetado e acomodado dentro deste por vibração através de uma tubulação de alta pressão (standpipe) de diâmetro nominal 2 polegadas. Esta técnica além de ser muito cara, gera muitas incertezas durante sua aplicação devido a que não se conhece ao certo as formações do meio poroso a grandes profundidades e, também, porque o monitoramento para testar a eficácia

57 57 desta técnica é limitado por não proporcionar valores realísticos das condutividades hidráulicas das zonas com e sem grout. Portanto, seu uso é normalmente dirigido apenas para controlar o fluxo de águas na construção do shaft, onde a barreira de grout funcionará só para um período de tempo limitado Drenagem de mina Drenagem de mina é o método mais comumente usado para o controle das águas na mineração subterrânea, e pode variar desde uma simples coleção de águas infiltradas na mina (por meio das fraturas ou através do próprio meio poroso), até procedimentos mais complexos que envolvem a instalação de poços de rebaixamento a partir da superfície do terreno, perfurações de drenagem situada dentro da mina ou por meio de galerias de drenagem. A técnica de desaguamento pelo uso de poços verticais perfurados é pratica comum em minas a céu aberto, porém, este método também é empregado em minas subterrâneas sempre que a análise econômica seja viável. Uma das vantagens desta técnica é que esta é executada normalmente à frente dos trabalhos e não causa interferências com as operações mineiras, fora de que consegue extrair a água limpa. Dentro das desvantagens encontram-se os custos de perfuração e bombeamento assim como as limitações em profundidades atingidas no rebaixamento, devido a que estes sistemas dificilmente podem atingir as profundidades da mina subterrânea. Normalmente estes métodos são usados em combinação com perfurações de drenagem instalados no interior da mina. Perfurações profundas de poços de bombeamento a partir da superfície do terreno são capazes de bombear grandes volumes de água e têm sido prática comum nos últimos anos nos Estados Unidos. Existem ao menos três minas subterrâneas de ouro no oeste dos Estados Unidos onde poços profundos de bombeamento são o principal sistema de desaguamento. Estas minas, localizadas na Nevada (Meikle, West Leeville, e Turquoise Ridge), usam grandes diâmetros de poços (25 40 cm) e bombas submersíveis capazes de bombear até 360 m 3 /h (8640 m 3 /d).

58 58 O primeiro estudo de caso apresentado nesta dissertação, referente à mina subterrânea de Vazante (Capítulo 4), usa este sistema de drenagem como o principal método de desaguamento empregado na mina Técnicas de controle das águas em minas a céu aberto Estas técnicas podem ser agrupadas em duas categorias principais: As técnicas ativas ou também chamadas de técnicas de rebaixamento avançadas, e as técnicas passivas também conhecidas como técnicas de rebaixamento a tempo real. Embora exista uma variedade de técnicas possíveis a serem aplicadas em projetos de mineração a céu aberto, somente algumas destas estão sendo verificadas e discutidas no estudo de caso desta dissertação (Capítulo 5) Técnicas ativas Poços de bombeamento Os poços de bombeamento podem ser localizados dentro e fora do perímetro da cava da mina. Quando projetados circundando as paredes da cava (Figura 3.2), estes trabalham como barreiras externas para evitar a entrada de fluxo de água ao interior da cava ou para aproveitar situações de evidentes gradientes hidráulicos. Esta configuração é considerada de rebaixamento avançado primário. Assim, é favorável localizar estes poços nos gradientes hidráulicos superiores (a partir da base da cava em desenvolvimento), pois isso funciona tanto para rebaixar a superfície piezométrica quanto para cortar a contínua fonte de recarga para a cava. (Cividini & Gioda, 2007; Rowe & Beale, 2007).

59 59 Figura 3.2 Representação esquemática dos poços de bombeamento (exterior e interior) na cava com seu respectivo sistema de drenagem superficial (Preene, 2014) A água dos poços de bombeamento é usualmente extraída diretamente da zona de descarga sem oportunidade de contaminação. Se a contaminação acontecer, um processo de tratamento é necessário para o reuso adequado (Brown, 1981). Em geral os poços são equipados com bombas submersíveis e características selecionadas de forma adequada. Dependendo dos requerimentos, os poços podem ser perfurados desde a superfície (base da cava) ou desde as bermas dos taludes, até profundidades entre 20 a 400m. Os diâmetros perfurados dependem da profundidade e da capacidade prevista, podendo variar entre 350 a 1200 mm. O rendimento dos poços varia (dependendo da transmissibilidade) entre 12 m 3 /h e 90 m 3 /h. Um caso de aplicação de poços de bombeamento é a mina de carvão Belchatów na Polônia, considerada a segunda maior mina a céu aberto no mundo. Neste caso, um sistema era constituído de 400 poços perfurados equipados com bombas submersíveis com uma capacidade total de 400 m 3 /min. Os poços, com profundidades entre 120 e 350m, e diâmetros entre 500 a 1200 mm permitiram o rebaixamento da linha freática de 200m em uma área de 8 Km 2 em um período de 11 anos. Esta mina envolvia 3 aquíferos não conectados que também foram

60 60 drenados para fornecer estabilidade dos taludes na mina onde 110 milhões de m 3 de overburden 6 e 38 milhões de toneladas de carvão foram explorados por ano Galerias subterrâneas As galerias subterrâneas são implementadas em conjunto com filtros de gravidade nos overburden complementados com poços de bombeamento na base da cava para a drenagem de aquíferos subjacentes. Os sistemas de galerias são efetivos em casos de aquíferos descontínuos e perturbados, ou no caso de poços de baixo rendimento. Este método foi muito usado na década dos 50 ou 60, porém seu uso foi decaindo devido à ameaça na mineração, segurança laboral e altos custos. Entretanto, o seu uso pode ser ainda considerado no caso específico em que exista uma mina subterrânea ativa (ou mesmo uma mina abandonada que possa ser colocada em operação) em conjunto com uma equipe técnica especialista em minas subterrâneas e que sobre esta mina exista um depósito a ser drenado e operado com um método superficial. Vazão de infiltração de aquíferos por meio das galerias subterrâneas é comum em torno de 2400 m 3 /h por cava Drenos horizontais Drenos horizontais são particularmente usados para despressurizar taludes, mas a sua efetividade depende muito da sua condutividade hidráulica que está sendo adicionada. Os drenos são especialmente efetivos por reduzir as cargas de fluxo acumulados em períodos de fortes precipitações que causa grandes infiltrações de fluxo nos taludes (Cornforth, 2005). Em rochas uma quantia significante de fluxo ocorre como um resultado da permeabilidade secundária através de juntas abertas, falhas ou outras descontinuidades. Portanto, estes drenos horizontais são furados em bermas em direção dos taludes da cava onde há ou já houve ocorrência de fluxo de águas, seja devido a precipitações ou exfiltrações de águas. 6 Material estéril (que não contém minério) a ser escavado.

61 61 Particularmente, esta técnica pode por si trabalhar de forma independente e conseguir captar as águas, principalmente as vindas das paredes dos taludes em processo de percolação que diminuem a eficiência operacional da cava (Brown, 1981). Porém, é importante que estas águas percoladas, que são liberadas incontrolavelmente 7 para a base da cava por meio de um dreno coletor, sejam direcionadas para o poço coletor e conseguintemente bombeadas para fora da cava. Deve se ter cuidado em que estas águas não sejam perdidas e que o processo de desaguamento não seja danificado durante as operações de detonação da mina. Em geral este sistema de drenos horizontais vai acompanhando o sistema principal de rebaixamento (poços de bombeamento ou paredes cut-off), que rebaixe o lençol freático, e em taludes específicos os despressurize para uma melhor estabilidade (Figura 3.3). O comprimento dos drenos horizontais pode alcançar comprimentos de 150 m e diâmetros pequenos (150 a 300 mm) perfurados dentro dos taludes a uma orientação de aproximadamente 5 graus a partir da horizontal. Essa inclinação permite que os furos tenham livre drenagem e estejam predominantemente em gravidade. Complementariamente, estes podem ser filtrados por um duto de PVC perfurado, recomendado em camadas arenosas. 7 Sendo considerado este processo como a maior desvantagem da técnica.

62 62 Figura 3.3 Representação esquemática do sistema poços de bombeamento e drenos horizontais, com seu respectivo sistema de drenagem e de bombeamento para fora da cava (Preene, 2014) O espaçamento entre drenos é comumente entre 25 e 100m horizontalmente, com espaçamentos verticais dependentes dos avanços da base da cava (Brown, 1981). A instalação de tais drenos deve ser o mais adequado para atingir dois objetivos primários: (a) diminuir os níveis de água (superfície freática) geralmente dentro de um talude; e (b) atingir e liberar aquíferos que estão alimentando o talude por trás. Estudos paramétricos e de campo conduzidos por Rahardjo et al., 2003 sugerem que para garantir a máxima eficiência e leveza do dreno estes precisam ser instalados no ponto mais baixo possível em um talude para poder conseguir o máximo rebaixamento, cujo arranjo pode resultar mais efetivo do que uma disposição maior de drenos instalados com espaçamento uniforme em um talude Ponteiras filtrantes Rebaixamento com ponteiras filtrantes são amplamente usados para escavações superficiais. Este sistema consiste de uma série de poços de pequeno diâmetro, geralmente de 3 a 4 polegadas, conectadas a um tubo coletor até a câmara de vácuo, onde é feita a separação da água e do ar, de forma a impedir a entrada de ar e reduzir a eficiência do sistema. A vantagem do emprego do sistema de ponteiras é a sua simplicidade, baixo custo e rapidez de instalação, sendo eficazes quando instalados em solos de baixa permeabilidade. Sua desvantagem é a limitação na altura do rebaixamento (Figura 3.4), por causa do curto comprimento destes poços (aprox., metros). O sistema de ponteiras pode consistir, por exemplo, em um número de 20 a 30 peças espaçadas de 3 a 5m, conectados a uma bomba centrífuga que faz possível rebaixar o nível do lençol freático até 6m. Arranjos desse tipo são usados onde um rebaixamento adicional especial é requerido Valas As valas são projetas na cava para captar as águas pluviais e residuais escoando dos taludes (Figura 3.4). Este sistema adequadamente projetado pode ser

63 63 vantajoso no rebaixamento do lençol freático gerando estabilidade aos taludes circunjacentes à cava, principalmente quando o material consistir de areias uniformemente graduadas. Estas valas podem ser estruturas estacionárias quando construídas entre taludes e bermas ao longo prazo e como estruturas temporárias (menos elaboradas) sobre as bermas. Com a ajuda das bermas, a água é alimentada para a seção de bombeamento. Este método é usado com efeitos satisfatórios preferentemente em cavas de material arenoso onde o lençol freático pode ser rebaixado até 30m Estações de bombeamento Esta técnica é equipada para remover a água das chuvas e o fluxo das águas subterrâneas penetrando a cava. Estas estações estão equipadas com poços coletores e bombas centrífugas localizadas nos pontos mais baixos da cava (Figura 3.3, Figura 3.4). Estas estações de bombeamento têm a capacidade de suportar chuvas de 10% de probabilidade (uma vez cada 10 anos) e um poço coletor capaz de suportar 4 horas de chuva se todas as bombas não estiverem operando.

64 64 Figura 3.4 Representação esquemática das técnicas ativas que incluem ponteiras filtrantes, drenos horizontais, sistema de drenagem e estação de bombeamento. (Preene, 2014) Técnicas passivas Paredes cut-off É uma das melhores técnicas de proteção contra a infiltração das águas subterrâneas, particularmente, dos overburden. Paredes cut-off de diferentes tipos podem ser usadas. As chamadas paredes escavadas (dug) são as mais fáceis de construir. Estas paredes são construídas como uma trincheira estreita (0,4 a 0,7 m) por uma escavadeira especial. Esta trincheira vai sendo imediatamente preenchida com uma suspensão tixotrópica para evitar a queda da parede. Logo, esta é preenchida com uma substância selante para refinar a suspensão tixotrópica. Este tipo de paredes cut-off são as melhores e, consequentemente, as mais confiáveis, mas a profundidade de aplicação está limitada à capacidade da máquina escavadora que no máximo chega até 70 m de profundidade, a partir da superfície. Outro tipo de paredes impermeáveis (cut-off) são aquelas feitas por injeção de grouting, muito usada em minas subterrâneas (item 3.4.3). Uma vantagem deste método é que pode ser usado até grandes profundidades (em média de 300 m) mas, com a desvantagem que este método é extremadamente complicado particularmente quando se apresentam condições hidrogeológicas variáveis e difíceis, acompanhado da falta de certeza para sua precisa execução em grandes áreas. Esta técnica de isolamento é muito usada para aquíferos overburden, mas somente quando a parede cut-off é feita inteiramente desde a base até o topo da camada impermeável, fechando completamente o fluxo através do aquífero ativo (Figura 3.5). Quando a execução da parede cut-off é feita parcialmente, esta perde muitas vantagens ou sua eficiência, porque pode causar obstrução das águas subterrâneas incrementando ao mesmo tempo a velocidade do fluxo nas regiões seladas.

65 65 O uso de paredes cut-off é recomendado particularmente em aquíferos de alta permeabilidade que estão em contato próximo com as águas superficiais e sendo recarregado quando próximo a rios ou lagos. Uma vantagem adicional importante do funcionamento desta técnica é que evita o desenvolvimento do cone de depressão gerado pelos poços de bombeamento, desta forma, prevê-se que fontes de águas superficiais sejam menos afetadas. Figura 3.5 Representação esquemática da técnica passiva Parede cut-off aplicada a taludes para o bloquei do fluxo das águas (Preene, 2014) Congelamento do terreno Esta técnica de congelamento das águas subterrâneas é também aplicada para minas subterrâneas, e em minas a céu aberto seguem os mesmos critérios e procedimentos. Ver item Critérios para a seleção da técnica de rebaixamento Para qualquer caso de método de exploração do mineiro (a céu aberto ou subterrâneo), a escolha da técnica apropriada para levar a cabo um processo de rebaixamento do lençol freático e do controle das águas é um passo crítico no desenvolvimento de um sistema economicamente viável e efetivo em mineração. Os critérios propostos para a escolha da técnica ou arranjo devem ser baseados, principalmente, em estudos comparativos multivariantes das condições

66 66 hidrogeológicas, muitas vezes complexas, onde um número de fatores necessita ser considerado, e cujos resultados desejados da aplicação do processo de rebaixamento possam ser verificados em um tempo válido disponível. Libicki, 1993; Halls, 2003; e Powers et al., 2007 indicaram os principais critérios e aspectos, descritos a continuação: Condições hidrogeológicas, Projeto tecnológico de operação da mina e tipo de maquinaria usada, Disponibilidade dos arranjos de rebaixamento e experiências já ganhas, Proteção ambiental, Requerimentos de segurança laboral, Custos operacionais e capitais. a) Condições hidrogeológicas As condições hidrogeológicas (e geomecânicas) baseadas em investigações geológicas prévias com a maior quantidade de registros de campo devem ser verificadas para determinar a magnitude do rebaixamento requerido. Qualquer que for o método de controle de águas escolhido é importante confirmar o método de drenagem / extração de água ideal, bem como o plano de bombeamento e o sistema de reticulação de descarga para remoção da água. Algumas recomendações práticas tiradas da aplicação de casos reais são descritas a seguir: 1) Em casos em que depósitos e o overburden sejam formados por rochas rígidas preenchidas com água nas fissuras, uma medida de rebaixamento é a combinação de poços de bombeamento em conjunto com estações de bombeamento localizados na parte mais baixa da cava. 2) Em aquíferos espessos e permeáveis, i.e., permeabilidades maiores a 1,15E- 05m/s (1m/dia), e quando houver contatos entre aquíferos particulares, é recomendável usar poços com bombas submersíveis, e para os taludes, drenos horizontais e valas nas bermas com estações de bombeamento.

67 67 3) Em caso de existir fluxo preferencial, como ocorre em zonas com altas permeabilidades ou em zonas próximas a rios e lagos, é preferível usar paredes cut-off impermeáveis para cortar o fluxo das águas. 4) No caso particular de regiões de overburden saturadas conterem numerosas estruturas fechadas de contenção de água 8, ou de existir perturbações no comportamento regular dos aquíferos (e.g. dobras), assim como regiões de baixas e variáveis permeabilidades, uma técnica efetiva seria usar um sistema de galerias subterrâneas que conectasse filtros com poços ou valas de bombeamento das águas. Contudo, é necessário ter características geomecânicas favoráveis da rocha para a construção das galerias e seu isolamento quando conectada com os aquíferos, com a finalidade de proteger a mina contra a infiltração subterrânea do fluxo não controlada. 5) Sistema de valas conectadas a estações de bombeamento podem ser usadas em rocha rígida, e excepcionalmente para rebaixamentos do lençol freático na região da cava em minas superficiais. Isto porque camadas de areia são de grão uniforme e os fatores de segurança dos taludes são altos. 6) No caso específico de fluxo em taludes, Atkinson (2001) tem delineado algumas considerações básicas: Quando a massa de rocha que compõe o talude não tenha a permeabilidade adequada para implementar uso de poços de bombeamento pode desenvolver-se uma poropressão elevada no talude porque a rocha não é capaz de drenar adequadamente com o avanço da exploração da mina. Uma solução necessária e muito usada é a implementação de um sistema de despressurização. Esta abordagem envolve drenos horizontais e verticais instalados diretamente nas seções dos taludes que são solicitados. Em grandes minas a céu aberto, análises custo-benefício podem justificar a criação de um túnel ou galerias de acesso de despressurização, onde a instalação de galerias de drenagem dentro da área contribuirá à drenagem profunda dentro do talude. 8 Water bearing structures são estruturas que contém água capturada por rochas, praticamente, impermeáveis.

68 68 Em casos em que seja possível a implementação de poços de bombeamento, mas que os materiais que conformam a massa rochosa (de solo) tenham intrinsicamente baixa permeabilidade, aproximadamente 1,15E-07 m/s (0,01 m/d), o nível do rebaixamento a partir de qualquer número razoável de poços de bombeamento se desenvolve lentamente. Portanto, uma quantia significante de tempo de espera é requerida. Da mesma maneira é recomendável a instalação de drenos apenas como complementação do sistema de rebaixamento devido a que um projeto de controle das águas não seria efetivo neste tipo de material apenas com drenos horizontais ou verticais, já que estes podem ficar ineficazes em termos de escoamento das águas quanto por bloqueios dos poros não revestidos. Este sistema é usado se as condições hidrogeológicas criarem ameaças de deslizamento dos taludes. 7) O grau de anisotropia decorrente das fraturas presentes na maioria das rochas ajuda no rebaixamento. Neste caso é recomendável que a instalação dos drenos seja orientada a fim de atravessar ortogonalmente o maior número de fraturas com o intuito de promover o maior nível de escoamento de drenagem. A análise de seleção de medidas de controle de água leva frequentemente à escolha final de métodos combinados, como, por exemplo: paredes cut-off impermeáveis e drenos horizontais; ou, poços de bombeamento com galerias subterrâneas; ou poços de bombeamento com drenos horizontais e ponteiras filtrantes, etc. Uma vez mais, a base para a tomada de decisões é o conhecimento das condições hidrogeológicas decorrentes de investigações prévias. b) Operação da mina As operações da mina requerem de segurança nos taludes, consequentemente, os efeitos dos processos de rebaixamento realizados devem ser considerados nas análises de estabilidade dos taludes. Os seguintes aspectos devem ser verificados: 1) Seleção da maquinaria básica, altura dos cortes nos taludes, largura das bermas e tempo disponível para a execução do processo de rebaixamento (a operação do rebaixamento deverá ir à frente da introdução da maquinaria

69 69 básica por um lapso de 1 a 2 anos em caso de aquíferos permeáveis), frente de avanço da cava, possível reconstrução de poços nas bermas dos taludes e a quantidade de poços necessária para a realização do rebaixamento. Porém, se o material da cava for constituído de materiais de baixa resistência em condições saturadas, este processo descrito acima não poderia ser aplicado devido a que, as bermas não poderiam ser construídas nas partes mais altas sem gerar instabilidade, tornando-se difícil a implementação dos poços nas bermas e isto poderia comprometer o início dos trabalhos da próxima fase programada. Este tempo poderia resultar curto para realizar todas essas operações e até comprometer a operação eficiente dos poços. Neste caso, poços como barreiras externas com bombas submersíveis ao redor da cava e drenos horizontais, operacionalmente, trabalham melhor. 2) A cava deve apresentar condições de suportar a maquinaria específica necessária para executar o rebaixamento (como rodovias, planos inclinado para transportadoras, etc.), especialmente quando um controle completo é requerido em algumas partes importantes da cava. Assim, arranjos adicionais, como por exemplo, ponteiras filtrantes podem ser usados. Esses critérios operacionais dever sem levados em consideração tanto para a seleção do método de controle das águas quanto na determinação do número e área de distribuição de arranjos particulares. Como dito anteriormente, o sistema de operação das minas deve ser planejado à frente, i.e., o tipo de maquinaria, sua distribuição na área da cava para desta forma otimizar o avanço dos trabalhos de exploração. c) Disponibilidade de arranjos e experiência Este critério é essencial. A disponibilidade de equipamentos no mercado local de trabalho e a experiência na aplicação da técnica devem ser discutidos. Por exemplo, para o caso em que paredes cut-off de grouting nunca tenham sido feitas, onde dispositivos e substâncias precisem ser importadas, mas por outro lado exista uma base técnica e experiência na perfuração de poços, a aplicação poços prevaleceria sobre a técnica de grouting, mesmo que esta última fosse mais efetiva. Da mesma forma, se aparecer uma mina subterrânea abandonada com um

70 70 equipo técnico de mineiros apenas especialistas em minas a céu aberto, esta equipe poderia prejudicar na escolha do sistema de galerias subterrâneas. d) Requerimentos de proteção ambiental Este é um critério básico a ser tomado em consideração, e deve ser analisado em detalhe. Dois aspectos jogam aqui um papel principal. O primeiro deles é a influência da depressão do lençol freático na vizinhança, o segundo ponto é a poluição das águas da mina. Desde um primeiro ponto de vista, o rebaixamento do lençol freático que, irrespectivamente do método de controle das águas usado, afeta o ambiente da mesma maneira. Somente o uso de barreiras impermeáveis pode evitar esse efeito ou reduzi-los consideravelmente. Desde outro ponto de vista, a água mais limpa é aquela obtida a partir de poços de bombeamento com bombas submersíveis, e as mais poluídas são aquelas que fluem sobre a superfície, assim, estas águas das minas têm que ser purificadas antes do seu aproveitamento. e) Segurança laboral Os sistemas de galerias subterrâneas são considerados os mais desvantajosos e produzem dificuldade de execução e frequentemente condições de trabalho perigosas. Enquanto que todos os outros sistemas não são forçados a levar gente à região subterrânea, por conseguinte são menos perigosas. f) Custos operacionais e capitais Além dos critérios técnicos e ambientais, custos operacionais e de capitais das alternativas sugeridas devem ser comparados. Este último critério é decisivo, principalmente, quando os outros critérios considerados não dão uma resposta compatível. Desde o ponto de vista de custos de capitais, as paredes impermeáveis cut-off e as galerias subterrâneas são as técnicas de controle de água mais caras. Desde o ponto de vista de operação, os poços de bombeamento com bombas submersíveis são as mais caras, atingindo altas taxas de consumo de energia para o bombeamento das águas. Finalmente, o custo total do projeto e quaisquer implicações ambientais indispensáveis precisam ser planejados para a concepção das estratégias de controle e operações mineiras.

71 4 Estudo de caso: Mina subterrânea 4.1. Introdução A unidade presente no município de Vazante-MG está localizada na porção noroeste do Estado de Minas Gerais, Brasil A exploração de minério de zinco ocorre desde 1969, onde se processava apenas a céu aberto com o predomínio da calamina. No início dos anos 1980 foram executados estudos que viabilizaram o avanço da mineração na porção subterrânea, iniciando a operação da lavra em dezembro de 1982, onde se registra a presença somente de willemita como mineral-minério oxidado. São empregados, basicamente, dois métodos principais de lavra nas operações realizadas na Mina de Vazante: Vertical Retreat Mining (VRM), Corte e Aterro (C&A), ambos utilizados devido à necessidade de recuperação dos pilares de minério deixados para sustentação do maciço rochoso. Os produtos de exploração, beneficiamento e comercialização são o zinco oxidado e o cádmio (associado aos minérios de calamina e willemita que passam pelo processo de britagem, moagem e flotação). O plano de produção prevê uma redução da produção da Mina de Vazante até sua exaustão em A Mina de Vazante está inserida no contexto de terrenos cársticos, que, associados aos processos tectônicos que atuaram na área, comandam a dinâmica de circulação hídrica e suas relações com a morfologia do relevo e a ocorrência de feições típicas deste ambiente, tais como surgências, sumidouros e cavernas. Aliando-se a estes fatores naturais, há que se considerar ainda que a área de interesse está sofrendo intervenção do rebaixamento de nível d água subterrânea, procedimento necessário ao avanço da lavra de minério em profundidade. Como resultado da combinação desses fatores naturais e antrópicos, podem ser apontadas algumas características percebidas no ambiente estudado, as quais são de preocupação para as operações mineiras, tais como: altas vazões (registradas com o avanço da lavra) nos condutos cársticos associados a estruturas

72 72 geológicas preferenciais nas galerias de mina e a potencialização ou indução ao surgimento de dolinas e/ou sinkholes (sumidouros) além daquelas naturalmente registradas. Estas vazões medidas não correspondem aos valores esperados de acordo com o atual modelo hidrogeológico, por não considerarem feições cársticas que geram fluxo preferencial de águas subterrâneas. Figura 4.1- Caminhos de fluxos presumidos entre o rio e a mina com base nas formações locais e regionais mapeadas (Guiguer et al., 2013). A empresa DHI do Brasil foi contratada pela Votorantim Metais (VM) para realizar testes de rastreamento de água subterrânea entre o rio Santa Catarina e a mina subterrânea de Vazante. De acordo com Guiguer et al., 2013, a execução desse trabalho teve como propósito o reconhecimento das rotas de fluxo subterrâneo entre pontos entre as margens do rio Santa Catarina e o interior da mina subterrânea (Figura 4.1). Os resultados desse estudo indicaram a presença de três caminhos discretos de fluxo de água baseados na distribuição de traçadores detectados. Contudo, as características cársticas do aquífero indicam que o fluxo do rio para mina ocorre através de fraturas discretas mas que não têm uma conexão perfeita entre o rio e a mina. Em vez disso, o fluxo do rio para a mina deve primeiramente atravessar um volume de armazenamento substancial do aquífero, mais provavelmente dentro do epicarste que está situado entre a rocha dolomítica e o rio. A magnitude e o tempo do fluxo através do epicárstico e na

73 73 mina são substancialmente afetados por gradientes hidráulicos criados por flutuações nos estágios do rio e pela presença do filito que separa o rio da mina. Modelagens numéricas do sistema de águas subterrâneas foram empregadas para simular de uma forma explícita as características do fluxo nos condutos identificadas pelos testes de rastreamento, e ao mesmo tempo para ser utilizada como uma plataforma na avaliação dos benefícios de várias estratégias hipotéticas para reduzir o fluxo dentro da mina a partir do rio. Para isto é necessário uma avaliação e modificação do modelo hidrogeológico atual, redesenhando-o de acordo com as condições geológicas e hidráulicas (baseados em dados instrumentais) mais recentes, que acomode as componentes necessárias para uma representação mais apropriada, i.e., recalibrando-o ao ano Esta recalibração deverá levar em conta a diminuição 9 da permeabilidade do meio poroso para poder atingir o equilíbrio em termos de fluxo e cargas hidráulicas que será alterado pela inserção de estruturas mais permeáveis (meio poroso fraturado mais feições cársticas), mas também considera o uso adequado das condições de contorno na representação do rio, gerando assim, uma representação mais realista do nível do lençol freático, que anteriormente não vinha sendo feito. Este modelo recalibrado servirá como uma plataforma excelente para a avaliação do efeito de estratégias atenuantes, tais como o reposicionamento ou o revestimento do rio nos locais (Item Impermeabilização da superfície do terreno) em que foram registradas perdas ou em que sua existência é presumida; ou o fechamento dos condutos formados por dissolução. Uma esquematização deste processo de impermeabilização do rio é mostrada na Figura 3.1. Portanto, este estudo numérico com o FEFLOW 6.2 tem como objetivo principal fornecer uma melhor representação do sistema hidrogeológico, que permita projetar respostas mais aprimoradas para os trabalhos futuros. Por outro lado, também procura implementar diferentes cenários de fluxo, onde comparações considerando ou não feições cársticas em conjunto com a impermeabilização do rio como sistema de controle das águas permitam verificar a influência destas estruturas no sistema hidrogeológico. 9 A permeabilidade atribuída no modelo antigo era alta porque era a média do meio poroso mais as estruturas.

74 Aspectos intervenientes ao cenário hidrogeológico local Baseados em dados coletados na rede de monitoramento mantida na área de influência do empreendimento, contínuos estudos por parte da mineradora culminaram em um amplo ganho de conhecimento sobre temas intervenientes (geologia, geomorfologia e hidrogeologia), visando subsidiar o entendimento sobre aspectos ambientais e operacionais relacionados ao desaguamento da mina e sua interferência na dinâmica aquífera local e outros fatores geoambientais. Estes aspectos intervenientes, como a geologia e geomorfologia são aqui abordados por gerarem um conhecimento integrado que contribuirá para a descrição do modelo hidrogeológico conceitual da área de influência do estudo, que será abordado mais adiante Condicionantes geológicas As bases geológicas disponíveis englobam informações de cunho regional apresentadas por CPRM (2002) em cooperação com o Departamento de Geologia da Universidade Federal do Paraná (Rostirolla et al., 2000), além dos estudos apresentados por IPT (2004) e aqueles sumarizados e interpretados pela equipe de exploração mineral da Votorantim Metais, apresentadas na forma de um mapa geológico integrado da área, mostrada na Figura Anexo 1. Dessa maneira, as condicionantes geológicas (Pessoa et al., 2012) apresentadas aqui, de forma muita sucinta, destacam apenas o mais relevante de maneira a compor uma base única e consolidar a importância dos elementos litoestratigráficos e geoestruturais na concepção do modelo conceitual de fluxo das águas subterrâneas e suas interações com outras feições naturais do ambiente cárstico, tais como as cavernas, dolinamentos, surgências e sumidouros (sinkholes) Elementos litoestratigráficos A área em estudo está situada na região noroeste do Estado de Minas Gerais, próxima à cidade de Vazante, e engloba uma sequência de rochas carbonáticas e pelíticas de idade proterozóica superior posicionadas na porção sudeste do Cinturão Brasília, em contato com a borda oeste da Bacia Bambuí, Cráton São

75 75 Francisco. Nesta área foram reconhecidas cinco unidades litoestratigráficas principais definidas, da base para o topo, como: Formação Serra do Garrote, Formação Serra do Poço Verde, Formação Morro do Calcário, Formação Serra da Lapa (estas 4 unidades estão inseridas no contexto do grupo Vazante) e Formação Paracatu (inserida no grupo Canastra). A distribuição destas unidades é apresentada no mapa geológico (Figura Anexo 1). De modo geral o grupo Vazante abrange uma predominância de filitos carbonosos e quartzosos aflorando ao leste da área da mina (Formação Serra do Garrote) sendo que dolomitos estromatolítico constituem o setor noroeste da área de empreendimento (Formação Morro do Calcário). Ao oeste das minas Vazante e Extremo Norte a predominância é de filitos intercalados com quartzitos finos e filitos quartzosos e metassedimentos argilo-arenosos. Esta região (Formação Serra da Lapa) mostra um relevo acidentado, com trechos de drenagens perenes e padrões preferencialmente dendríticos. Neste grupo Vazante encontram-se ainda os depósitos de zinco e chumbo (Formação Serra do Poço Verde) associados à Zona de Falha Vazante, comumente sob intercalações de filitos carbonosos. Em termos hidrogeológicos, a região da formação Serra do Garrote é caracterizada por apresentar valores muito baixos de condutividade hidráulica e recarga. Em função disso, esta unidade se classifica como zona não aquífera. A Formação Serra da Lapa e Paracatu, em função de seu caráter litológico variável (intercalação de filitos, quartzitos e dolomitos), podem indicar algum potencial hidrogeológico. Por sua vez, as formações Serra do Poço Verde e Morro do Calcário caracterizam a bacia dolomítica da área de interesse desse estudo, constituída essencialmente por litotipos cársticos fissurados intercalados com filitos, atribuindo um caráter, predominantemente, de zonas aquíferas associadas Gênese de feições cársticas As principais feições cársticas reconhecidas na área de interesse são as dolinas e sumidouros (sinkholes) que indicam zonas preferenciais de infiltração de águas superficiais, também condutos e surgências que indicam os locais onde os sistemas cársticos são drenados, e, as cavernas que constituem feições desenvolvidas pela circulação de águas em direções preferenciais.

76 76 De acordo com as análises estruturais efetuadas por IPT (2004), aliadas às observações das feições de dissolução em diferentes níveis da mina subterrânea, permitiram individualizar três horizontes distintos de desenvolvimento das feições cársticas locais: nível superior ou vadoso, nível intermediário e nível inferior, conforme ilustrado pela Figura 4.2, abaixo. O nível superior corresponde à porção do maciço rochoso que está acima do nível d água. Caracteriza-se como o nível de maior evolução do carste, distribuídas de grandes fendas de dissolução, abatimentos, semidouros e etc. Neste nível, a circulação de água se dá basicamente por movimentos verticais descendentes. Neste contexto, quando são verificados eventos de intensa precipitação, associados a inundações de determinadas drenagens, como o rio Santa Catarina, por exemplo, percebe-se uma intensificação natural no surgimento de abatimentos e semidouros provocados pela rápida infiltração de águas superficiais e lixiviação de sedimentos inconsolidados. Este efeito pode ser mais intensificado em área sob a influência do rebaixamento, pois o mesmo gera condições para o aumento do gradiente hidráulico e de velocidade de escoamento das águas superficiais, aumentando ainda mais o potencial de surgimento destas feições cársticas. Fonte: Modificado por Pessoa et al., 2012 do IPT (2004). Figura Níveis de desenvolvimento de feições cársticas na sua condição original (Pessoa et al., 2012). O nível intermediário abrange a porção do maciço rochoso situado abaixo do nível d água subterrânea, até aproximadamente a cota 500 metros, onde o processo cárstico encontra-se, atualmente, em desenvolvimento. Já no nível

77 77 inferior o maciço rochoso situado abaixo da cota 500, onde a carstificação é incipiente, o meio comporta-se como fissural, não ocorrendo grandes condutos cársticos como aqueles encontrados nos níveis superior e intermediário Condicionantes geomorfológicas Conforme apontado por Bittencourt et al., 2008, Rostirolla et al., 2000 e IPT (2004), a bacia dolomítica de interesse aos estudos hidrogeológicos encontra-se capeada por colúvios, que dificultam a identificação e a análise dos processos de carstificação. Esta cobertura, cuja espessura varia desde poucos metros até pouco mais de uma centena de metros, é reflexo da evolução geomorfológica da área. Estes materiais são constituídos essencialmente por filitos, de granulometria variada. As águas pluviais incidentes sobre os filitos escoariam quase que totalmente para o interior da bacia dolomítica, devido à pequena capacidade de retenção das águas nestas áreas Compilação e interpretação dos dados disponíveis Neste capítulo são compilados e apresentados os dados e informações pertinentes ao contexto de monitoramento hídrico da área de influência do empreendimento, com o intuito de subsidiar a concepção do modelo hidrogeológico conceitual e refinar as discussões necessárias. O monitoramento compreendeu dados piezométricos e medidores de nível d água, vazões bombeadas no interior da mina, precipitações pluviométricas e vazões de cursos d água no entorno do empreendimento. Todos esses dados foram coletados e disponibilizados pela Votorantim Metais Piezômetros e poços medidores de nível d água O monitoramento do rebaixamento de nível d água subterrânea com o avanço da lavra da mina de Vazante está sendo efetuado através de vários piezômetros e poços medidores de nível d água instalados na área de influência do empreendimento.

78 78 Fonte: Dados disponibilizados pela Votorantim Metais. Figura Mapa de distribuição dos pontos de monitoramento na área de influência definida para os estudos hidrogeológicos (Pessoa et al., 2012). Este sistema de monitoramento abrange dados de 130 piezômetros e 5 poços em operação, instalados em unidades hidrogeológicas de interesse, conforme apresentado na Tabela 4.1 e ilustrado na Figura 4.3 para o ano de Vale a pena ressaltar que a oscilação de nível de água nos piezômetros, em geral, responde à sazonalidade climática da região. Tabela Piezômetros instalados nas diferentes unidades hidrogeológicas da área de influência da Mina Vazante a dezembro de Unidade monitorada Número de pontos de monitoramento Aluvião 8 Maciço alterado 18 Capa 34 Lapa superior 35 Lapa inferior 37 Filito 3 Total: 135

79 Vazões bombeadas na mina O procedimento de desaguamento da mina envolve um sistema de drenagem subterrânea gravitacional, utilizando a própria mina como estrutura de drenagem principal associada a um conjunto de bombas instaladas em seu interior. O monitoramento de vazão bombeada da mina ocorre em um único ponto. Na Figura 4.4 encontram-se os valores de taxa de bombeamento em m3/h desde o início das operações em 1990 até De acordo com a DHI (Guiguer et al., 2013), esta taxa de bombeamento para o ano de 2013 foi na ordem de m 3 /h. Figura Diagrama das médias históricas anuais de precipitação x bombeamento (Adaptado de Prado, 2010). Conforme indicado na Figura 4.4, a taxa média de bombeamento praticado na mina sofre grande variação ao longo do tempo e do ano hidrológico, em parte, devido à necessidade de avanço da mina, em parte, devido à sazonalidade climática Pluviometria De acordo com os dados da Hidrovia (Pessoa et al., 2012), a precipitação durante o ano hidrológico na região em estudo é bastante variável, que desde 1990 até o 2013 apresentaram-se períodos úmidos (novembro a março) com a precipitação média máxima registrada em dezembro (312,2 mm) e no período seco (abril a outubro) a precipitação média mínima ocorre no mês de junho (4,0 mm).

80 80 Os dados de precipitação pluviométrica da área de influência adotada são provenientes do registro do posto instalado nos domínios da referida Mina de Vazante, conforme localização apresentada na Figura Monitoramento do rio Santa Catarina O monitoramento das vazões se iniciou em 1989, a partir de pontos selecionados na calha do rio Santa Catarina e nos ribeirões Carrancas e Carrapato, os demais pontos passaram a ser monitorados a partir de 1992 até a atualidade. De acordo com a história das vazões, apresentados no trabalho de Pessoa et al., 2012, os picos se correlacionam fortemente com os picos de precipitação pluviométrica, ou seja, existe uma influência direta de aumento de vazão dos cursos d água devido ao aumento de precipitação. Tabela Localização dos pontos de monitoramento de vazão (m3/h) nos cursos d água da área de interesse do estudo (Pessoa et al., 2012) Nº de Ordem Ident. do Ponto 1 Bambuzal 2 Barragem 3 Bertoldo 4 Córrego Barrocão 5 Córrego da Mata 6 Córrego Guariroba 7 Módulo III 8 Montante Aroeira 9 Poço Verde 10 Prainha 11 Rio Santa Catarina/Rochedo 12 Ribeirão Carranca 13 Rio Carrapato 14 Nova Captação Fonte: Dados fornecidos pela Votorantim Metais. O monitoramento do rio Santa Catarina é importante de ser avaliado, sobretudo, na relação atual entre o aquífero (aluvião) e o rio, em particular no seu trecho mais próximo à mina. Neste contexto, 5 estações fluviométricas (EF) localizados neste trecho foram analisados: Prainha, Bertoldo, Poço Verde, Bambuzal e Rochedo. Assim, a contribuição por parte do aquífero (aluvião) ao rio já vinha sendo observada desde o 2010 em três dos quatro trechos considerados, observando-se perdas consideráveis de água (perda média em torno de 1800 m3/h)

81 81 em um trecho bastante pequeno do rio (420 m), correspondente à região entre as estações Poço Verde e Bambuzal. Tabela Relação entre o aquífero e o Rio Santa Catarina (ganho/perda d água do rio) (Prado, 2010) Trecho do Rio Distância Aprox. (m) Dolinas Mapeadas Vazão (m/h) Ganho / Perda EF-Prainha a EF-Bertoldo Ganho EF-Bertoldo a EF-Poco verde Ganho EF-Poço Verde a EF-Bambuzal Perda EF-Bambuzal a EF-Rochedo Ganho Média das diferenças de vazão medidas entre duas fluviométricas, considerando no cálculo das diferenças apenas medições realizadas no mesmo dia. Feições cársticas identificadas próximas à mina Figura Pontos de monitoramento fluviométricas analisados próximos à mina. O problema de perda de água do rio Santa Catarina foi estudado pela DHI do Brasil no 2013, onde foram realizados testes de rastreamento de água subterrânea entre o rio Santa Catarina e a mina subterrânea com o intuito de identificar as fontes de infiltração da água do rio na mina. A partir dos procedimentos de rastreamento que abrangeu injeção em fases de três traçadores no rio Santa Catarina, onde cálculos da recuperação da massa foram realizados para poder comparar a quantidade de traçador recuperada no rio com a quantidade recuperada da mina e, dessa forma, estimar a quantidade da

82 82 perda do fluxo do rio que entra na mina (nesta metodologia foi considerado que não há perdas devido à adsorção ou decaimento nos caminhos por onde fluem os traçadores). Os resultados da DHI (Guiguer et al., 2013) revelou que as perdas de fluxo do rio entre as estações de Bertoldo e Rochedo (3400 m3/h) poderiam representar no máximo 37% da descarga total da mina (água perdida para o aquífero), assumindo que 100% do fluxo de rio perdido vai para a mina. Este resultado de perda de fluxo do rio foi monitoramento em 4 diferentes períodos, sendo o de 15/03/ /11/2013, o período mais longo do registro e o que apresenta maior perda de fluxo Modelo hidrogeológico conceitual As componentes do modelo conceitual tal como o domínio, contornos, unidades hidroestatrigráficas e propriedades hidráulicas, sistemas de recarga e descarga, iteração das águas superficiais e subterrâneas bem como o balanço de massa foram definidas inicialmente pela Schlumberger, 2008 baseados nos condicionantes geológicos e geomorfológicos e nos dados de monitoramento registrados desde 1989 pela mineira Votorantim Metais Domínio do modelo A área total do domínio do modelo conceitual é de 161,2 km 2, o qual abrange o 100% da bacia dolomítica. Esta bacia é demarcada em planta em torno da bacia hidrográfica do rio Santa Catarina e Barroquinha, sendo limitada no extremo norte pela Lagoa Feia. Levando em consideração que as bordas das bacias geram um fluxo divergente, é apenas necessário modelar até seus contornos, considerando que não existirá um fluxo de intercâmbio entre bacias. A geometria na seção transversal e longitudinal poderia ser limitada em profundidade até a unidade do Garrote, devido a que a condutividade hidráulica dessa unidade, em comparação com outras unidades hidrogeológicas, é muito menor, então, poderia se considerar que esta unidade se comportaria como um contorno impermeável inferior, sendo não necessária sua inclusão no desenvolvimento do modelo conceitual.

83 Unidades hidrogeológicas e propriedades hidráulicas Cinco unidades hidrogeológicas principais foram definidas: (1) sedimentos recentes coberturas aluviais e coluviais; (2) dolomitos topo de epicarste e compartimentos da Capa, Lapa Superior e Lapa Inferior; (3) Corpo Brechado; (4) aquitardo/filito Preto e (5) aquitardo/xistos. A disposição espacial desse arranjo, apresentada por Pessoa et al, 2012, é também representada na Figura 4.6. Figura 4.6- Perfil hidrogeológico esquemático na Mina Vazante (Pessoa et al., 2012). A superfície potenciométrica original, antes da interferência do rebaixamento do nível d água do aquífero pelo bombeamento, segundo o descrito por Pessoa et al. 2012, devia se encontrar próxima a cota 600 NMM, sendo esta considerada o nível de base regional. Com relação às características hidráulicas, no ano de 1989 foram realizados diversos ensaios de bombeamento e recuperação do nível d água do aquífero, o que, segundo Schlumberger (2007) possibilitou o cálculo dos parâmetros

84 84 hidrodinâmicos do aquífero cárstico. Os dados foram analisados por diversos autores, obtendo valores de condutividade hidráulica de 1,4 x 10-5 m/s Recarga e descarga de águas subterrânea Segundo Pessoa et al., 2012, estudos isotópicos de deutério e oxigênio 18 mostraram que a água de chuva é a origem principal das águas subterrâneas, tendo sido determinada por este método uma taxa de infiltração entre 11% e 25% da precipitação média anual na bacia dolomítica. Foi determinado a partir dos dados de monitoramento que as principais fontes de entrada de água no modelo conceitual são a precipitação e a ocorrência de perdas de água ao longo da calha do rio Santa Catarina, na sua parte norte (entre as estações Bertolo e Poço Verde). E como fontes de descarga encontram-se a parte sul do rio Santa Catarina e o volume de bombeamento total extraído da mina. Baseado nestas informações é possível obter o balanço hídrico do sistema Revisão e recalibração do modelo numérico existente O modelo numérico de fluxo existente (Votorantim Metais, 2013) em FEFLOW é aqui verificado e modificado com o intuito de incluir as feições cársticas e as condições de contornos ideais para a obtenção de resultados mais realistas. Vale ressaltar que o modelo conceitual original realizado pela Schlumberger no ano de 2006 foi elaborado no programa PETREL, a qual gera uma malha numérica deformável onde as superfícies das camadas numéricas coincidem como os limites das unidades hidrogeológicas. Este modelo é preparado a partir de dados topográficos, falhas geológicas mapeadas, 1230 sondagens de exploração regionais e de mina, 12 seções verticais regionais e no mapa de geologia superficial, para a elaboração do arcabouço geológico. O modelo numérico original no FEFLOW considerou que a infiltração é dada via recarga (precipitação) mais os rios e a descarga pelo rios e lagoas. As estruturas geológicas como falhas foram representadas por elementos discretos planares de 0,01m de espessura.

85 85 Neste trabalho de revisão e recalibração do modelo numérico o arcabouço geológico original foi mantido. A malha de elementos finitos no programa FEFLOW sofreu uma leve alteração geométrica pela adição de uma superfície (slice) na unidade hidroestratigráfica superficial (aluvião) diminuindo, desta forma, o comprimento vertical dos elementos que estavam representando o rio por comprimentos mais coerentes, para essa camada numérica. Algumas características do modelo numérico atual são descritas a seguir. Área total do modelo: 161,2 km 2, cobrindo 100% da bacia dolomítica. Discretização: elementos triangulares (células) e nós (pontos de intersecção das células) (Figura 4.7). 26 camadas numéricas distribuídas verticalmente em 10 unidades hidroestratigráfica. Estruturas geológicas (elementos discretos planares 2D com Lei de fluxo de Darcy), mapeadas a partir do levantamento geofísico realizado em 2008, localizadas no extremo superior do domínio do modelo (setor Extremo Norte).

86 86 Figura Modelo numérico de fluxo em FEFLOW que inclui a localização da mina de Vazante e as estruturas 2D (Falhas) na situação atual da mina. Os principais ajustes feitos no modelo numérico existente foram: 1. A revisão dos pontos de calibração do modelo, só levando em consideração os instalados no período de Revisão das condições de contorno utilizadas para representar o rio Santa Catarina e demais drenagens, assim como das suas restrições. 3. Recalibração das propriedades hidráulicas das unidades hidroestratigráficas do meio poroso contínuo-fraturado, complementada com o balanço hídrico do sistema. 4. Implementação das estruturas discreta para a representação das feições cársticas na região em análise, incluindo análise de sensibilidade para a determinação dos parâmetros que controlam o fluxo nestas estruturas. 5. Recalibração das propriedades hidráulicas das unidades hidroestratigráficas do meio poroso contínuo incluindo a representação das fraturas e das feições cársticas. 6. A revisão do balanço hídrico do sistema atualizada. A Figura 4.7 apresenta a malha de elementos finitos do modelo numérico em FEFLOW 6.2, e a situação atual da mina de Vazante. Também é possível verificar a localização dos elementos discretos 2D que representam as estruturas geológicas (falhas) mapeadas na região circunjacente à área em estudo. A Figura 4.8 mostra um corte vertical do modelo indicando a distribuição das unidades hidroestratigráficas com os seus respectivos valores de condutividade hidráulica. Cada um desses itens numerados está sendo discutido nas seguintes seções.

87 87 Brecha mineralizada Sedimentos recentes Lente de xisto Maciço alterado Dolomito (Capa) Dolomito (Lapa) Filito preto Figura 4.8 Unidades hidrogeológicas do modelo numérico de fluxo em FEFLOW Revisão dos pontos de calibração Os ajustes nas cargas hidráulicas dos pontos de calibração constituem um dos critérios para calibração do modelo numérico, sendo utilizados nesse sentido poços e piezômetros que apresentem um registro histórico de medições de nível d água (convertidas em cargas hidráulicas). Neste processo foram utilizados no total 135 pontos de controle entre piezômetros e poços instalados no campo (registro de 2013). A distribuição destes (nas respectivas unidades hidrogeológicas na qual foram instalados) é apresentada na Figura 4.9 e detalhado na Tabela 4.4, indicando a quantidade de pontos de controle por unidades hidrogeológicas.

88 88 Figura Modelo numérico de fluxo em FEFLOW Pontos de Calibração Tabela Distribuição dos pontos de calibração de cargas hidráulicas Unidade Hidrogeológica No. Pontos Calibração Camada Numérica* Aluvião 8 2 Maciço Alterado 18 4 Capa 34 8 Lapa Superior Filito 3 21 Lapa Inferior *Refere-se à camada numérica em que foram inseridos os pontos de calibração, correspondente à respectiva unidade hidrogeológica no modelo. Para efeito de calibração das cargas hidráulicas no modelo numérico (estado estacionário) considerou-se a média dos níveis d água correspondentes ao período janeiro - dezembro de 2013 e estes resultados foram verificados com a descarga média da mina. Os resultados da calibração são apresentados no item

89 Revisão e modificação das condições de contorno Em termos gerais, as condições de contorno anteriormente aplicadas no modelo foram mantidas, incluindo o último avanço da lavra da mina. Contudo, uma modificação essencial foi realizada referente à condição de contorno empregada para representar o rio e a sua restrição. Outras pequenas modificações também foram feitas para corrigir a condição da mina em lugares onde além de se comportarem como um dreno estavam tendo um comportamento de fonte de água, devido a que a sua restrição não estava sendo imposta. Neste sentido, foram adotadas as seguintes condições: o Recarga: mantida conforme modelo existente correspondente a 3 zonas de recarga uniforme de alta precipitação, precipitação média e precipitação nula. A recarga é aplicada apenas sobre a camada superior do modelo (C.C. tipo 2). Isto representa uma entrada de água no modelo de m3/h. o Rio Santa Catarina: simulado no modelo anterior como uma C. C Tipo 3 (Fluid transfer BC, ver item ), com um fator limitante de fluxo, que impedia que o rio se compasse como uma fonte infinita de água para o aquífero. Esta condição foi corrigida por representar apenas o fluxo gerado do rio para o aquífero, mas não representando a interconexão do lençol freático entre o rio e o aquífero. Portanto, verificou-se que a condição adequada para ter uma representação mais realista do sistema tanto em termos de fluxo quanto na posição do lençol freático seria a C.C. tipo 1, a qual foi aplicada. o o Córrego Barroquinha e Lagoa Feia: Na realidade se esta condição for mudada para o tipo usado no caso do rio Santa Catarina, as repostas não apresentariam alterações no fluxo, i.e., a C.C. Tipo 1 e Tipo 3 estariam se comportando da mesma forma desde que ambas têm a restrição de fluxo máximo de zero. Portanto, para manter uma uniformidade na representação do rio foi atribuída a C.C. Tipo 1. A mina subterrânea: foi mantida a C.C. tipo 1 com a sua restrição de fluxo máximo de zero, a qual representa o avanço da lavra como pontos com apenas cargas de elevação, devido a que estes encontram-se em contato com

90 90 a atmosfera (pressão =0). Neste caso foi apenas adicionada a restrição em alguns pontos que além de estarem comportando-se como drenos estavam tendo também um comportamento como fonte de água Recalibração do modelo numérico para o meio poroso contínuofraturado 2014 Feitos os ajustes mencionados acima, iniciou-se o processo de recalibração (item 2.4) do modelo contínuo-fraturado propriamente dito, aplicada apenas aos materiais geológicos e não às estruturas (falhas), i.e., as propriedades hidráulicas das fraturas (elementos 2D, Lei de Darcy) não foram modificados 10 neste processo. Este processo de recalibração tem como objetivos principais dois aspectos: a reprodução da vazão atualmente bombeada pela mina (11000 m3/h, de janeiro a dezembro de 2013) e a correspondência entre as cargas hidráulicas simuladas pelo modelo e aquelas medidas em campo. Contudo, esta recalibração deve considerar a resposta observada da modificação das condições de contorno atribuídas para representar o rio Santa Catarina, córrego Barroquinha e da Lagoa Feia, que modificaram, ou melhor, incrementaram numericamente o fluxo no rio. Um dos resultados da calibração foi o incremento na vazão do rio para a mina, que alcançou um valor de 3600 m 3 /h. Este seria um valor mais próximo ao registrado no campo, sendo que antes o rio aportava aproximadamente 400 m3/h para a mina. Neste estudo de mina subterrânea, a condutividade hidráulica das unidades hidrogeológicas é o parâmetro hidráulico a ser modificado, usando o método de Tentativa e Erro (Item ). Este processo de ajuste é realizado sob o contínuo controle da vazão atual bombeada da mina, estimada em 11000m 3 /h. A Tabela 4.5 apresenta um sumário dos parâmetros recalibrados no modelo ao 2014, comparando estes com os parâmetros correspondentes à calibração anterior (Votorantim, 2013). 10 As características de espessura, condutividade, armazenamento e compressibilidade destas estruturas foram mantidas do modelo anterior.

91 91 Tabela Parâmetros hidrodinâmicos considerados no modelo de fluxo (modificado da Votorantim, 2013) Unidade Hidrogeológica Sedimentos recentes (Aluvião) Cond. Hidráulica (kx: m/s) Modelo calibrado (Votorantim, 2013) (Ss: 1/m) 1 Anisotr. (kh:kv) Modelo recalibrado ao 2014 Cond. Hidráulica (kx: m/s) (Ss: 1/m) 1 Anisotr. (kh:kv) 4,00E-05 1,00E-04 10:1 4,60E-05 1,00E-04 10:1 Dolomito carstificado 1,00E-04 1,00E-04 1:1 1,00E-04 1,00E-04 1:1 Dolomito (Capa) 4,00E-06 1,00E-04 1:1 4,00E-06 1,00E-04 1:1 Xisto 1,00E-08 1,00E-04 1:1 1,04E-08 1,00E-04 10:1 Dolomito (Lapa superior) 1,00E-06 1,00E-04 1:1 1,39E-06 1,00E-04 1:1 Zona da brecha 1,11E-07 1,00E-04 1:1 1,00E-07 1,00E-04 1:1 Filito preto 4,00E-07 1,00E-04 1:1 4,00E-07 1,00E-04 1:1 Dolomito (Lapa inferior) 1,00E-06 1,00E-04 1:1 1,39E-06 1,00E-04 1:1 Estruturas (Falhas) 9,00E-02 1,00E ,00E-02 1,00E Conforme se observa na tabela acima, poucas modificações nas unidades hidrogeológicas foram necessárias com relação à calibração anterior. As modificações consistiram no: incremento da condutividade hidráulica dos sedimentos recentes (aluvião) de 4,0 x 10-5 m/s para 4,60x10-5 m/s, mantendo seu nível de anisotropia; incremento na condutividade hidráulica do Dolomito (Lapa superior) de 1,0 x 10-6 m/s para 1,39x10-6 m/s, mantendo a isotropia; e um leve incremento na condutividade hidráulica do Xisto, de 1,00 x 10-8 m/s para 1,04x10-8 m/s, mudando também o nível de anisotropia de 1:1 para 10:1. Essas modificações buscaram replicar não apenas os níveis d água e fluxos observados, como a própria natureza do maciço rochoso, onde a matriz apresenta uma baixa condutividade hidráulica e o fluxo de água subterrânea ocorre preferencialmente pelas estruturas geológicas (neste caso, as falhas). Cabe a pena salientar que a partir desta análise foi observado que a unidade Dolomito (Lapa) é o material que rege o comportamento do modelo hidrogeológico.

92 92 Figura Curva de calibração entre níveis medidos e calculados pelo modelo. A curva de calibração do modelo para a mina atual (2014) é apresentada na Figura 4.10, onde é notada uma correspondência razoável entre as cargas hidráulicas medidas e simuladas. Os maiores desvios são observados na área da mina, onde as escavações aumentam consideravelmente a heterogeneidade do maciço devido ao grande alívio de tensões ao qual estão constantemente submetidos. Os erros correspondentes, de acordo com a avaliação estatística foram os seguintes: RMS =26,34 (Raiz média quadrática) MAE =20,24 (Erro meio absoluto). Estes métodos de cálculo estão descritos no item Os residuais obtidos (diferença entre nível observado e nível simulado) variam entre 0,29 m e 62,39 m. Estes resultados apresentam uma melhora em relação ao modelo Votorantim (2013). A Tabela 4.6 mostra o balanço de massa obtido para a mina atual, após o processo de recalibração e a Figura 4.11 apresenta a superfície potenciométrica simulada. Tabela Balanço de massa para a simulação da mina atual Entrada m 3 /h Saída m 3 /h Recarga 12377,42 Rio Santa Catarina e Córrego Barroquinha 5016,08 Rio Santa Catarina 3639,17 Mina 11000,50 Total 16016,58 Total 16016,58

93 93 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina atual (Cota 326) Implementação de elementos discretos 1D como feições cársticas O incremento de dolinas na região da mina de Vazante pode estar relacionado com o rebaixamento do lençol freático, que se encontra em expansão, devido ao avanço da mina, sob o rio Santa Catarina (Figura 4.12, Figura 4.5). O surgimento destas formações representa um risco às operações em curso, dadas as consequências potencialmente severas de uma conexão direta em grande escala entre o rio e as escavações subterrâneas. De acordo com a DHI Brasil (Guiguer et al., 2013), três caminhos preferenciais de fluxo foram identificados através dos testes com traçadores realizados ao longo do rio Santa Catarina, realizados com o intuito de encontrar possíveis perdas de fluxo do rio para a mina através destes condutos. Segundo esses resultados, a vazão aproximada do fluxo do rio que perde para a mina é em torno de 3650 m 3 /h.

94 94 Figura 4.12 Representação esquemática das feições cársticas na região d amina de Vazante (Bittencourt & Reis, 2012). Estas formações geológicas estão sendo inseridas neste modelo numérico como elementos discretos 1D do tipo Arbitrary node (Figura 4.13) e posteriormente resolvidas em conjunto como o meio poroso contínuo, sendo os cálculos de fluxo nestes elementos baseados na Lei de Manning e no princípio das equações de fluxo básicas. Levando em consideração que as características discretas apenas incrementam a condutividade hidráulica nos nós conectados a estes elementos. A Figura 4.1 mostra as novas estruturas mapeadas (linhas amarelas) a serem consideradas no modelo de recalibração Caracterização dos elementos discretos 1D (Arbitrary Node) De acordo com o descrito nas condicionantes geológicas (item 4.2.2), as dolinas observadas no campo apresentaram diâmetros de até 1 metro na região superficial (Carste desenvolvido, Figura 4.2) e tendem a diminuir com a profundidade. Estas características são referência importante no momento de considerar a inclusão das feições cársticas no modelo numérico. Uma análise de sensibilidade foi realizada para avaliar o comportamento do fluxo do sistema quando estas estruturas são consideradas no modelo. Esta análise indicará o incremento do fluxo que será infiltrado ao aquífero através destes elementos, ao mesmo tempo o rio deve manter uma perda de fluxo de 3600 m3/h para o aquífero.

95 95 Figura Representação numéricas dos elementos discreto 1D no FEFLOW: Arbitrary node e Edge slice. (DHI-Wasy, 2014) Desde que no modelo numérico estes elementos são governados pela equação de Manning o incremento do fluxo nestas estruturas é verificado para diferentes diâmetros (áreas) e coeficiente de rugosidade Manning-Strickler, com o objetivo de verificar o aumento na vazão e de atribuir-lhes características geométricas-hidráulicas, em concordância com o observado e registrado no campo. Figura Analise de sensibilidade para a determinação das variáveis que regem o comportamento de fluxo no interior dos elementos 1D (Feições cársticas). Como mostrado na Figura 4.14, a variação do diâmetro e do coeficiente de rugosidade Manning-Strickler destas estruturas reflete-se no incremento da vazão de maneira proporcional. Inicialmente, a faixa de diâmetro analisada foi de 0-0,8m, com coeficientes de rugosidade variando entre 4 e 20. O objetivo inicial foi de verificar o aporte total destas estruturas na geração de um fluxo adicional que estas provocam no sistema, tendo como valor fixo a vazão que o rio descarga no aquífero de 3650 m 3 /h. Verificou-se então que um valor de 0,8m de diâmetro para diferentes coeficientes de rugosidade aumentam enormemente o valor da vazão,

96 96 sendo o coeficiente de rugosidade a variável mais influente nos resultados do sistema. Esta análise inicial serviu para corrigir os limites de análise destas variáveis, onde a faixa foi limitada para diâmetros de até 0,6m (área de 0,3m 2 ) e coeficiente de rugosidade de até 8 (Figura 4.14), calculando, desta forma, um incremento do fluxo (nas feições cársticas) de 3490 m 3 /h. A partir destes resultados, os elementos discretos estão sendo caracterizados com diâmetros de 0,44 m (área de 0,15 m 2 ) e coeficiente de rugosidade Manning Strickler de 8, resultando em um incremento total de fluxo de entrada de 1528 m 3 /h para o sistema, o qual indicaria um valor razoável, que poderia ser justificado, primeiro, porque a seção transversal nestas feições diminui com a profundidade, levando em conta que os diâmetros observados no campo foram de até 1m; e segundo, porque um coeficiente de rugosidade Manning-Strickler de 8 poderia ser equivalente a tubulações preenchidas corroídas sem manutenção, gerando assim uma alta resistência à movimentação do fluxo Recalibração do modelo numérico contínuo-fraturado considerando as feições cársticas Uma vez inseridas estas feições cársticas no modelo numérico, este resultará em um fluxo descompensado, devido à presença destes elementos discretos, i.e., com um excesso de 1528 m 3 /h, como indicado no item anterior. Este excesso de fluxo deve ser corrigido devido a que a região do rio (que a partir de agora abrange o rio mais as feições cársticas) deverá transmitir um fluxo de apenas 3650 m 3 /h para o aquífero. Este processo de ajuste requer uma recalibração das unidades hidrogeológicas para poder equilibrar novamente o fluxo esperado do rio para o aquífero, onde o meio poroso em geral deverá ter uma diminuição da sua condutividade devido à inserção destes elementos. Para este segundo estágio de recalibração tanto as estruturas discretas (falhas) quanto as condições de contorno do modelo já vêm corrigidas (do estágio de recalibração anterior) e as feições cársticas estão sendo inseridas 11. Assim sendo, este processo contempla o ajuste do fluxo da região do rio para o aquífero 11 No estágio anterior foram separadas as influências das fraturas e do meio poroso mais feições cársticas. Logo, as propriedades do meio poroso eram uma média entre o meio poroso real e as feições cársticas (como se fosse um meio equivalente).

97 97 em um total de 3650 m 3 /h, distribuídos em 2 parcelas, uma parcela correspondente ao conjunto de feições cársticas de 1528 m 3 /h e a outra parcela correspondente ao aporte só do rio de 2122 m 3 /h. Novamente, para obter o balanço hídrico do sistema as condutividades hidráulicas das unidades hidrogeológicas serão ajustadas, sempre controlando que a vazão atual bombeada da mina, estimada em 11000m 3 /h, não se modifique. A Tabela 4.7 apresenta um sumário dos parâmetros finais recalibrados no modelo, comparando estes com os parâmetros aplicados na recalibração anterior. Tabela Parâmetros hidrodinâmicos considerados no modelo de fluxo com feições cársticas. Unidade Hidrogeológicas Sedimentos recentes (Aluvião) Modelo recalibbrado ao 2014 (sem feições cársticas) Cond. Hidráulica (kx: m/s) (Ss: 1/m) 1 Anisotr. (kh:kv) Modelo recalibrado ao 2014 (com feições cársticas) Cond. Hidráulica (kx: m/s) (Ss: 1/m) 1 Anisotr. (kh:kv) 4,60E-05 1,00E-04 10:1 2,90E-05 1,00E-04 10:1 Dolomito carstificado 1,00E-04 1,00E-04 1:1 8,1E-05 1,00E-04 1:1 Dolomito (Capa) 4,00E-06 1,00E-04 1:1 1,16E-06 1,00E-04 1:1 Xisto 1,04E-08 1,00E-04 10:1 5,78E-09 1,00E-04 10:1 Dolomito (Lapa superior) 1,39E-06 1,00E-04 1:1 8,10E-07 1,00E-04 1:1 Zona da brecha 1,00E-07 1,00E-04 1:1 1,11E-07 1,00E-04 1:1 Filito preto 4,00E-07 1,00E-04 1:1 4,00E-07 1,00E-04 1:1 Dolomito (Lapa inferior) 1,39E-06 1,00E-04 1:1 8,10E-07 1,00E-04 1:1 Estruturas (Falhas) 9,00E-02 1,00E ,00E-02 1,00E Conforme mostrado na tabela acima, sutis modificações nas unidades hidrogeológicas foram realizadas (com relação à recalibração anterior que não levava em conta as feições cársticas). A curva de calibração final do modelo para a mina atual que considera as feições cársticas (2014) é apresentada na Figura 4.15, onde é novamente notada uma correspondência razoável entre as cargas hidráulicas medidas e simuladas. Valores de erros RMS =25,90, assim como MAE =20,13, ficaram dentro da faixa aceitável para modelagens numéricas. Os residuais obtidos (diferença entre nível observado e nível simulado) variam entre 0,47 m e 62,07 m.

98 98 Figura Curva de calibração entre níveis medidos e calculados pelo modelo com feições cársticas. A Tabela 4.8 mostra o balanço de massa obtido para a mina atual. A Figura 4.16 mostra a superfície potenciométrica simulada final. Tabela Balanço de massa para a simulação da mina atual, considerando caminhos cársticos. Entrada m3/h Saída m3/h Recarga 13031,67 Rio Santa Catarina e Córrego Barroquinha 5682,00 Rio Santa Catarina 3650,29 Mina 11000,50 Total 16681,96 Total 16682,50 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina atual (Cota 326) considerando as feições cársticas no modelo.

99 Cenários de comportamento de fluxo subterrâneo Uma vez que o modelo numérico foi calibrado com e sem a implementação dos caminhos cársticos (item 4.5.4), avaliações de comportamento de fluxo são realizadas para ambos os casos para destacar a influência destas estruturas no padrão de fluxo das águas subterrâneas, já que estas geram fluxos preferenciais cujo fluxo descarga na mina. Como analisado neste estudo de caso, o problema central está na infiltração d água que descarga na mina, que pode ter uma porcentagem de aporte da água do rio. É importante também verificar o volume ou vazão de água que o rio Santa Catarina perde para o aquífero, e a parcela de contribuição das feições cársticas neste aspecto, principalmente na região de maior infiltração do rio. Neste contexto, quatro cenários de comportamento de fluxo são a seguir verificados: (1) sem considerar as feições cársticas; (2) sem considerar estes caminhos cársticos mas impermeabilizando a faixa do rio que está perdendo água para o aquífero; (3) considerando a presença destes caminhos cársticos e; (4) considerando estes caminhos cársticos e impermeabilizando o rio Cenário 1: Fluxo subterrâneo sem considerar as feições cársticas Os resultados desta análise de fluxo, sem a implementação destes caminhos cársticos, podem ser mais bem examinados em uma seção do modelo 12 (Figura 4.17) que passe pelo rio 13 na região de maior infiltração de água para o sistema. Neste sentido, verifica-se a posição do lençol freático da mina atual (Figura 4.18), a região do rio que aporta fluxo para a mina (Figura 4.19) e as trajetórias de fluxo, em especial, aquelas do rio para a mina (Figura 4.20). 12 A principal recarga do domínio é devido à precipitação (rainfall) e é delimitada em 3 regiões principais: de alta, baixa e praticamente sem precipitação. 13 A trajetória do rio é delimitada por pontos contínuos, cujas cores indicam as intensidades de fluxo que entram e saem do domínio.

100 100 Região de maior infiltração do rio Figura Localização da seção transversal a ser analisada para os cenários 1 e 2 de análise de fluxo. A Figura 4.18 é a seção de análise que indica a posição atual da mina e do lençol freático. Observa-se que a linha freática conecta-se com o rio (pontos cheios amarelos), o qual indica uma representação mais realista da sua posição, produto da modificação da condição de contorno (do Tipo 3 para Tipo 1) imposta no rio (item 4.5.2). Rio C.C. tipo 1 Rebaixamento provocado pela situação atual da mina Superfície potenciométrica Figura Cenário 1: Superfície do lençol freático gerada pelas condições de contorno impostas no rio e na mina.

101 101 Rio Inflow Outflow Mina Superfície potenciométrica Figura Cenário 1: Intensidades de fluxo de recarga pelo rio e descarga na mina, para seu posterior bombeamento. A Figura 4.19 é um close-up da região de maior infiltração do rio para o domínio, de comprimento aproximado de 2 km, como ilustrado na Figura Nesta figura se indicam também as intensidades de fluxo de entrada -inflow- (nos nós) do rio para o modelo e a intensidade do fluxo de saída -outflow- através dos nós que estão representando à mina subterrânea. Inflow Outflow Mina Zona do rio de maior infiltração: 2 km (bolas vermelhas de trajetória sinuosa) Figura Cenário 1: Trajetórias de fluxo (linhas de cor preto) do rio para a mina.

102 102 A Figura 4.20 ilustra as trajetórias das partículas que seguem desde o rio para a mina, verificando, dessa forma, que o rio está aportando água para o aquífero (e mina) a partir de regiões particulares. A partir desta figura também pode-se identificar com maior clareza os 2 km de comprimento do rio (do E N ao E N ) que apresenta a maior taxa de infiltração para o aquífero. Isto é importante porque uma das alternativas propostas a partir desta análise seria a impermeabilização parcial do rio, que abrangia apenas o comprimento de maior infiltração Cenário 2: Fluxo subterrâneo sem as feições cársticas e impermeabilizando o rio Uma alternativa como sistema de controle das águas seria a impermeabilização da superfície (item 3.4.1), de tal forma que o aporte desta fonte (rio) seja diminuído ao máximo possível. A partir do comprimento total de infiltração (Figura 4.21), que é em torno de 6,3 km, a primeira opção seria a impermeabilização do rio nesse comprimento, e como segunda opção seria impermeabilizar apenas os 2 km (Figura 4.23) correspondentes à região de infiltração máxima. Estas duas alternativas de impermeabilização estão sendo avaliadas e comparadas a seguir, para verificar a solução mais viável. Opção (A) Impermeabilização do rio no comprimento total de infiltração A partir dos resultados numéricos, a impermeabilização do rio elimina a infiltração nesses 6,3 km (faixa identificada no Cenário 1), porém, cria uma nova região de infiltração no rio (águas abaixo), de menor comprimento (0,72 km) que inicialmente era de exfiltração, tal como se mostra na Figura Os valores de fluxo de entrada que o rio perde para o aquífero se reduziu de 3650 m3/h para 747 m3/h (80%) após o processo de impermeabilização. Mas também destaca-se a importância que há em quantificar qual a vazão que o conjunto -rio e aquífero- descarga na mina subterrânea. Em uma primeira instância se pensaria que a redução seria na mesma proporção que a redução da vazão que tem o rio para o aquífero. Contudo, a redução conseguida do fluxo de descarga na mina é diferente, refletida só na redução de para 9020 m 3 /h (18%), isto devido a que se bem o sistema está tendo uma redução do fluxo de

103 103 entrada por parte do rio, o mesmo está tendo um incremento de recarga por parte das águas subterrâneas para a mina. Figura 4.21 Cenário 2: Representação esquemática do tramo do rio impermeabilizado (impermeabilização total) Mina Novas trajetórias de fluxo do rio para o aquífero/mina Zona do rio impermeabilizada (6,3 km) (na cor cinza) Nova zona de infiltração (0,72 km) para o aquífero Figura Cenário 2: Zona de impermeabilização total do rio (6,3 km) Opção (B) Impermeabilização do rio no comprimento parcial de infiltração Como no caso da Opção (A), neste caso também se verificaram os resultados quando a impermeabilização do rio fosse realizada parcialmente, abrangendo apenas 2 km correspondentes à faixa de maior infiltração, como mostrado na Figura Os resultados desta análise que impermeabiliza uma faixa de infiltração do rio também cria uma nova região (à jusante do tramo

104 104 impermeabilizado) com taxas de infiltração de intensidades maiores do que tinha antes (pois a infiltração já existia), de aproximadamente 1km de comprimento, como mostrado na Figura O fluxo que o rio perde para o aquífero reduziu de 3650 para 2550 m 3 /h (30%). Contudo, o fluxo que ambos, rio e aquífero aportam para a mina se reduziu de para m 3 /h (8%). Figura Cenário 2: Representação esquemática do tramo do rio impermeabilizado (impermeabilização parcial) Mina Trajetórias de fluxo do rio para o aquífero/mina Zona do rio impermeabilizada (2 km) (na cor cinza) Zona de infiltração para o aquífero de maior intensidade Figura Cenário 2: Zona de impermeabilização parcial do rio (2 km) Cenário 3: Fluxo subterrâneo considerando feições cársticas Uma vez que as feições cársticas foram adicionadas explicitamente e o modelo numérico foi recalibrado (item 4.5.5), é possível avaliar a dinâmica do

105 105 fluxo deste sistema. O primeiro alvo desta análise é comparar a diferença destes resultados como aqueles que não consideraram estes caminhos preferenciais, e seguidamente, verificar a faixa do rio a ser impermeabilizada, como uma solução atenuante ao volume de água que se descarga na mina. Neste sentido, a avaliação dos resultados é realizada para a mesma seção transversal do cenário 1 (Figura 4.25). Inflow Outflow Figura 4.25 Localização das feições cársticas no domínio e da seção de análise para os cenários 3 e 4. De acordo com a análise de sensibilidade realizado no item 4.5.4, as feições cársticas estariam aportando 42% do fluxo que o rio perde para o aquífero. Se bem o efeito do aporte do rio para o aquífero (considerando ou não feições cársticas) é o mesmo, a análise que contempla as feições cársticas é mais realista porque permite identificar não só os caminhos preferenciais como fontes discretizadas (setas pretas na Figura 4.26) assim como também a faixa o rio de maior infiltração de uma forma mais legítima. A partir desta análise verificou-se que a faixa crítica de infiltração do rio é maior, produto da posição destas feições cársticas nessa região. Esta faixa, que no Cenário 1 (item 4.6.1) era de 2km, nesta análise se incrementou para 4,5 km, devido a que estas feições estão moderadamente espalhadas ao longo do rio e atuam como pontos discretos de grandes infiltrações (Figura 4.27). A implementação destas feições cársticas, mais uma vez, melhoram o modelo por fornecer resultados mais confiáveis, principalmente, se algum processo de atenuação (de alto custo) tem de ser executado.

106 106 As posições das feições cársticas, nas coordenadas UTM, implementadas no modelo numérico estão listadas na Tabela 4.9 baseados no trabalho de Guiguer et al., Rio Feições cársticas Mina Superfície potenciométrica Figura 4.26 Cenário 3: Características do fluxo influenciado através das feições cársticas. Inflow Outflow Mina Feições cársticas Zona do rio de maior infiltração: 4,5 km (trajetória sinuosa) Figura 4.27 Cenário 3: Faixa do rio de maior infiltração para o aquífero que inclui os caminhos preferenciais de fluxo. Como verificado da análise de sensibilidade, o aporte que o sistema rio mais feições cársticas descarregam no aquífero é dividido duas parcelas, uma de 1528

107 107 m3/h (42%) das feições cársticas e 2072 m 3 /h (58%) do rio, dando um total de 3650 m 3 /h. Tabela Localização UTM das feições cársticas no modelo numérico. Coordenadas UTM Fluxo de infiltração (m3/h) E N 358 E N 240 E N 236 E N 290 E N Cenário 4: Fluxo subterrâneo considerando feições cársticas e impermeabilizando o rio Da mesma forma como foi abordado no Cenário 2, neste caso a impermeabilização do rio no comprimento total e parcial do trecho de infiltração é também verificada, como o intuito de diminuir essa fonte de água (rio) ao máximo possível. No caso do comprimento parcial equivalente a 4,5 km de comprimento (identificado no Cenário 3), maior que no caso do Cenário 2 (2 km). Neste cenário o comprimento é maior devido a que as feições cársticas estão moderadamente distanciadas ao longo do tramo de infiltração. Opção (A) Impermeabilização do rio no comprimento total de infiltração A impermeabilização do rio ao longo de toda a faixa de infiltração (6,3 km) gerou uma nova região de infiltração de 1 km (à jusante do rio) de comprimento que anteriormente era região de exfiltração, como mostra na Figura Os valores de vazão que o rio aporta para o aquífero diminuíram de 3650 para 325 m3/h (91% de redução) e no caso do fluxo que é descarregado na mina (águas do rio mais do aquífero) este mudou de para 8472 m3/h (23% de redução). Opção (B) Impermeabilização do rio no comprimento parcial de infiltração No caso da impermeabilização parcial do rio na faixa de maior infiltração, correspondente a 4,5 km, os valores de vazão que o rio aporta para o aquífero diminuíram de 3650 para 1043 m3/h (71%) e no caso do fluxo que é descarregado na mina (águas do rio mais do aquífero) este mudou de para 8835 m3/h (20%).

108 108 Mina Novas trajetórias de fluxo do rio para o aquífero/mina Feições cársticas Nova zona de infiltração (1km) para o aquífero Zona do rio impermeabilizada (6,3 km) (na cor cinza) Figura Cenário 4: Zona de impermeabilização total do rio (3,6 km) Mina Feições cársticas Trajetórias de fluxo do rio para o aquífero/mina Zona do rio impermeabilizada (4,5 km) (na cor cinza) Zona de infiltração para o aquífero de maior intensidade Figura Cenário 4: Zona de impermeabilização parcial do rio (4,5 km) A partir destas análises feitas no Cenário 4 cabe observar que a eficiência do processo de impermeabilização no rio deve ser avaliada tanto técnica como economicamente. Os resultados mostraram uma redução de até 91% na vazão que o rio perde para o aquífero e de 23% como fluxo de descarga na mina (rio mais águas do aquífero), isto quando a impermeabilização dos 6,3 km é aplicada (faixa de infiltração total), porém, impermeabilizando apenas a faixa mais crítica (de maiores taxas de infiltração) de até 4,5 km a redução é de até 71% na vazão que o

109 109 rio perde para o aquífero e de 20% de redução como fluxo que descarga na mina (rio mais águas do aquífero). Esta diferença de 3% do fluxo que descarga na mina, que é o principal interesse, quando a faixa de infiltração do rio é impermeabilizada parcialmente, é de baixa significância. Porém, em termos econômicos, essa diferença no comprimento a ser impermeabilizando que pode economizar até 2 km deste procedimento é muito atraente. Uma análise comparativa econômica deveria ser feita para avaliar a redução desses 3% na impermeabilização do rio ou se seria melhor bombeá-lo Resumo dos resultados dos cenários A seguir apresenta-se um resumo dos resultados referentes aos cenários em estudo. Figura 4.30 Comparação dos resultados das vazões de descarga dos cenários com e sem feições para o caso da Mina subterrânea. Figura Comparação dos resultados dos comprimentos de infiltração dos cenários com e sem feições para o caso da Mina subterrânea.

110 5 Estudo de caso: Mina a céu aberto 5.1. Introdução Este estudo de caso tem por objetivo avaliar numericamente o comportamento hidrogeológico de uma mina a céu aberto que apresenta um problema de afluência de águas subterrâneas, que colocaria em questão a viabilidade da sua exploração. Localizada na costa norte da Espanha abrangendo uma área de aproximadamente 11milhões m 2, a região em análise é caracterizada geologicamente por uma grande estrutura consistente em uma dobra sinclinal com fechamento periclinal, com estruturas menores associadas, principalmente, ao flanco sudeste. A pedreira, na qual se centra este trabalho, destina-se à exploração de rocha industrial (rocha calcária) ainda em atividade, mas ao mesmo tempo, à exploração de pequenas porcentagens de materiais pertencente às litologias de xistos e arenitos. A exploração mineira ocupa uma extensão de m 2. A geometria dos diferentes frentes está em constante mudança devido ao avanço da lavra, com uma taxa de avanço de 15 % anual. Os trabalhos se realizam por meio de perfurações e detonação de bancos e bermas descendentes em profundidade e avanço na direção sudoeste. De acordo com Álvarez et al., 2012, devido às características hidrogeológicas e a própria configuração da mina, um processo de afloramento e acumulação de águas em volumes importantes ocorre na cava, que em alguns casos ultrapassam a possibilidade de drenagem e provocam inundações, já que o sistema projetado pela mineira para atenuar esse problema de inundação trata apenas de um sistema de valas perimetrais, internas, de distribuição e bombeamento. Este sistema atual de controle das águas evidencia-se insuficiente ou ineficiente com o avanço da lavra e, sobretudo, quando precipitações moderadas ocorrem e paralisam o avanço dos trabalhos mineiros.

111 111 Portanto, neste estudo o propósito é de realizar uma modelagem numérica hidrogeológica para a mina em referência, baseados na caracterização geológica e hidráulica da região em estudo, elaborada por Álvarez et al., Este estudo tem como objetivos principais a (1) avaliação dos dados de monitoramento correspondentes ao ano de 2010 a partir de Álvarez et al (2) conceitualização do modelo, onde se detalham as simplificações assumidas em conjunto com as condições de contorno empregadas, (3) criação do modelo numérico no FEFLOW, (4) calibração do modelo hidrogeológico numérico, (5) verificação da dinâmica de fluxo do sistema, (6) aplicação e análise dos resultados de técnicas para controle das águas Caracterização hidrogeológica Uma breve descrição das condicionantes geológicos e hidráulicos necessárias para a caracterização da área em estudo, realizada por Álvarez et al., (2012) e Díaz (2012), foi feita com a finalidade de fundamentar e justificar hipóteses e simplificações realizadas durante a conceitualização e elaboração do modelo numérico deste estudo de caso Condicionantes geológicos O conhecimento geológico da zona em estudo se centra principalmente na sua estratigrafia e na geologia estrutural. O mapa geológico é mostrado na Figura Anexo 2 conjuntamente com todos os cortes longitudinais e transversais disponíveis, que foram aproveitados neste trabalho para a geração do modelo hidrogeológico numérico Estratigrafía A série estratigráfica presente na zona de estudo é descrita na Figura 5.1, indicando os materiais que compreendem cada formação, denominada aqui também pela sua nomenclatura local. Estimações das potências destas formações, como referência são também especificados. Como resultado dessa análise, uma coluna estratigráfica representativa se compõe de materiais Devoniano (ou Devónico) e Carboníferos, que, de baixo para cima, se identificam como Arenito

112 112 de Naranco, Calcário de Candás, Arenito de Candás, Calcário de Montaña e uma Sucessão turbidítica. Os arenitos aflorantes são materiais de muito baixa permeabilidade e os materiais carbonatados constituem sistemas cársticos desenvolvidos caracterizados pelas heterogeneidades locais (Llopis, 1970). Figura Coluna estratigráfica resultante do estudo geológico (Adaptado de Álvarez et al., 2012) A região em estudo se encontra situada no extremo norte (N70E) da região de dobras e mantos, indicando que se trata de uma estrutura de dobramentos na que se situa o sinclinal, objeto de estudo, formando parte do grande sinclinório, que determina a morfologia e orientação dos vales e cristas da zona, a não continuidade da capa de calcário superior e a presença de dolomito nesta região. Como observado na Figura 5.2 (nas seções longitudinal e transversal) o desnível da falha se atenua ao norte e afunda os calcários explorados ao sul (leste do plano de falha) para profundidades importantes, aumentando a espessura dos materiais de cobertura (dolomita e sucessão turbidítica). De acordo com Álvarez et al., (2012) não foi observado nem determinado que exista fluxo de água através das fraturas tectónicas importantes, e a circulação de água através destas supõem apenas fraturas com fluxo nulo.

113 113 M-2-2 L-2-3 I-4-1 B-8-3 C-7-1 D-7-1 Figura Mapa geológico delimitado pela divisória de águas e borda contato com o mar, na que se situa a exploração mineira e os poços de observação. Cortes longitudinal e transversal para identificação dos mantos e dobras (Álvarez et al., 2012) Condicionantes hidráulicos A hidrogeologia da área em estudo, delimitada pela divisória topográfica de águas e borda em contato com o mar, caracteriza-se por um sistema de arroios, nos que se realizaram registros diferenciais, quantificando, dessa forma, o escoamento superficial e a infiltração dos mesmos. Segundo Álvarez et al., 2012, nesta área foram inventariados um total de 67 pontos de água, consistentes em mananciais, poço e sondagens, dos quais, pela sua situação e acessibilidade, 9 destes foram utilizados para o registro de dados piezométricos (Figura 5.2). Baseada na análise e informação da estratigrafia e estrutural, bem como nos registros dos pontos de água, foi estabelecida uma classificação das diferentes

114 114 litologias presentes em função das capacidades hidráulicas de cada uma destas. Como resultado deste estudo serão definidas as Unidades hidrogeológicas conformadas por materiais geológicos com similar comportamento hídrico, o qual será apresentado na geração do modelo hidrogeológico conceitual (item 5.4) Compilação e interpretação dos dados disponíveis Todos os dados de monitoramento disponíveis para este trabalho foram obtidos de Díaz (2012), onde se encontram detalhados o processo de obtenção e o processamento destes. A seguir, um resumo das características mais importantes dos dados empregados está sendo apresentado Pluviometria O clima da região onde se localiza a mina é de domínio oceânico, com precipitações durante o ano inteiro (superiores a 800 mm) e devido a que a mina se localiza a escassos 2 km da costa, está condicionado pela influência têmpera do mar e as condições topográficas (Marquinez et al., 2003). Na área em estudo apresenta uma rede de estações pluviométricas, porém são 3 as estações escolhidas serem as mais adequadas para caracterizar as precipitações da zona em estudo: Estações Gijón, Musel e Cabo das Peñas. Os critérios de valoração destas estações foram: - Disponibilidade de séries temporais de dados, - Distância do ponto de medição com relação à área de estudo e, - Grau de correlação lineal entre estações. Portanto, a pluviometria da região foi obtida a partir do estudo das séries temporais dessas 3 estações pluviométricas, realizando correlações cruzadas entre elas para conseguir uma série temporal completa desde os anos 30 até a atualidade. Também se calcularam os valores característicos das temperaturas que posteriormente serão utilizadas no cálculo da evapotranspiração. Uma vez analisados os dados dessas séries temporais das três estações se concluiu que: 1. Os dados da estação Gijón, por ser a mais próxima e a série temporal mais extensa, resultam ser os mais adequados para a estimativa dos valores

115 115 médios representativos da temperatura e precipitação. Também apresenta os valores extremos maiores que estão sendo tomados para estimar as cotas superiores e inferiores da precipitação e da temperatura da zona. Estes valores são: Tabela 5.1 Dados de precipitação e temperatura da estação de Gijón (Díaz, 2012) Precipitação (mm) Temperatura ( C) Máxima anual 1303,1 Máxima média anual 17,7 Mínima anual 537,1 Mínima média anual 9,8 Média anual 941,5 Média anual 13,7 2. Os dados da estação El Musel, é a mais próxima à pedreira e será utilizada para os estudos atuais (2010) e a avaliação do balanço hídrico, por proporcionar dados atuais de precipitações e permite estabelecer uma relação direta entre as precipitações e bombeamento na pedreira. Tabela 5.2 Dados de precipitação da estação de El Musel (Díaz, 2012) Balanço hídrico, período (1/5/ /4/2011) Precipitação acumulada 1160,1 mm 3. Os dados da estação de Cabo de Peñas também serão usados com o apoio em caso de desarranjo ou colapso da medição na estação El Musel, por apresentar um alto grau de correlação com esta estação. A partir destas variáveis de medição poderá se quantificar os componentes do balanço hídrico, necessários para a elaboração e análise do modelo hidrogeológico numérico Vazões bombeadas da cava da mina O sistema de bombeamento implementado na cava da mina consiste de uma rede de valas perimetrais e internas que captam e distribuem as vazões recolhidas a várias valas secundárias, desde onde se bombeia para uma estação de principal e a partir desta se envia para a estação de decantação, antes de vertê-lo no arroio 1. A drenagem d água está estruturada para recolher as águas pluviais por zona bem como das filtrações, desta forma, o volume total da água acumulada na exploração é finalmente evacuado para fora da cava através de bombas instaladas na estação principal.

116 116 O histórico de volume de água bombeada é representado na Figura 5.3. Neste gráfico se aprecia como o volume de água bombeada na exploração tem sofrido um aumento progressivo nos últimos anos, onde se representa o volume de água bombeada anualmente (ano 2010). As porcentagens de bombeamento com respeito do anterior são mostradas na Tabela 5.3. Figura Histórico anual de bombeamento cujos valores estão sendo comparados com as precipitações anuais acumuladas das estações El Musel e Cabo de Peñas, realizados entre 2002 e 2010 (Díaz, 2012) Tabela 5.3 Incremento do bombeamento com relação ao ano anterior (Díaz, 2012) % + 7% -3% + 6% -2% + 7,5% + 14% +31% O volume de água drenado na cava é um componente importante para o processo de calibração, já que este servirá como um ponto de controle no momento de encontrar um conjunto de condutividades hidráulicas único que represente o sistema. O volume de bombeamento na cava da pedreira registrado no ano de 2010 foi de m3, resultando em um volume diário de 10085m Evapotranspiração O interesse do cálculo da evapotranspiração se centra na sua quantificação como elementos constituintes do balanço hídrico, julgando um papel muito importante ao estudar-se a recarga dos aquíferos. A quantidade de água que se infiltra no terreno em um período determinado é expressa como:

117 117 Infiltração = precipitação evapotranspiração escoamento A evapotranspiração (daqui em diante ET) considera a forma conjunta dos processos diferentes e difíceis de quantificar por separado: a evaporação e a transpiração. Os métodos mais empregados para o cálculo da ET são variados e seu emprego depende dos dados disponíveis de precipitação e temperatura obtidos nas estações pluviométricas descritas anteriormente. A obtenção destes dados foi obtida a partir de dois métodos: de Thornthwaite e Le Turc. O método de Thornthwaite define uma evapotranspiração potencial (ETP) para definir a quantidade de água que passaria à atmosfera supondo um solo completamente saturado e coberto de vegetação em crescimento ativo. Já que as condições ótimas de ET rara vez se cumprem, a ETP é estabelecida como limite superior da quantidade de água que realmente pode volver à atmosfera por evaporação e transpiração. A evapotranspiração real (ETR), portanto, vai ser sempre menor oi igual que a ETP: ETR < ETP A partir dos dados da estação pluviométrica de Gijón o valor obtido é: ETP=721,7 mm/ano No método de Le Turc, o cálculo da ETR está em função dos valores de precipitação acumulada e a temperatura média anual. O cálculo da ETR anual da zona em estudo a partir dos dados da estação pluviométrica de Gijón resultou: ETR=608,8 mm/ano A partir destes resultados da ETP e ETR e levando em consideração os valores de referência em precipitações (Tabela 5.1), a evapotranspiração pode ser expressa em porcentagens. Tabela Evapotranspiração expresso em porcentagem (Díaz, 2012) % Pmax % Pmed % Pmín ETP 55,4 76,6 100 ETR 46,7 65,0 100 A água da chuva representa a porcentagem da precipitação que não se evapotranspirará, assim, traduzindo-se ao nível de bacia em um volume de chuva útil anual, esta representa: Chuva útil total (volume) = Área da bacia (Precipitação Evapotranspiração) Sendo a área da bacia do arroio 1= Área= m2.

118 118 O valor da chuva útil para cada uma das precipitações de referência (em porcentagem, Tabela 5.5) como elemento do balanço hídrico será: Tabela 5.5 Valores de chuva útil para cada uma das precipitações de referência (ETP e ETR) (Díaz, 2012)... % Pmax % Pméd % Pmín Chuva útil (mm/ano) para a ETP 581,51 219,81-184,59 Chuva útil (mm/ano) para a ETR 694,32 332,62-71, Modelo hidrogeológico conceitual Para a criação do modelo conceitual é necessária a identificação e quantificação adequada dos processos que representem o comportamento do sistema real. Devido a que resulta impossível o conhecimento em detalhe é necessário estudar e examinar aqueles fatores que são mais importantes ou condicionantes do sistema. Deve ser, portanto, estabelecido: a) Geometria em planta (extensão física da área a ser modelada). b) Geometria na seção transversal e longitudinal (extensão do modelo em profundidade, baseado nos estudos geológico). c) Condições de contorno (limites do modelo, responsáveis pelo equilíbrio do sistema, CC. Hidráulicas: Dirichlet, como nível constante h=0 para a linha da costa N-NW de Perecil; Neumann com vazão nula Q=0 disposto na divisória de águas na bacia). d) Distribuição de capas e parâmetros dos materiais (definida em função da agrupação dos materiais nas unidades hidrogeológicas) e) Identificação dos elementos do balance hídrico (referente à área e os processos de recarga e descarga) Conceitualização do problema Como descrito no item 2.2 o modelo conceitual definitivo é elaborado como resultado de algumas hipóteses, descritas a seguir: Hipótese 1: O regime de fluxo permanente, meio poroso continuo saturado e aquífero não confinado.

119 119 Hipótese 2 a geometria em planta que demarcará o modelo abrange a bacia do arroio 1, como a zona física considerada no Balanço hídrico. Hipótese 3: O limite do modelo na zona norte da pedreira se estende até a costa considerando o mar como uma condição de contorno de limite (piezometria conhecida). Hipótese 4: a única fonte de recarga é a precipitação, devido a que medições no campo indicaram que as perdas do rio eram mínimas e desprezíveis. A divisória de águas superficiais coincide com a divisória de águas subterrâneas, e os fluxos subterrâneos entre bacias são, portanto, nulos. Hipótese 5: baseado em dados geológico, i.e., nos cortes transversais longitudinais (Figura Anexo 2), a região abrange a forma dos dobramentos do sinclinal/periclinal que se estende até uma profundidade máxima de 800 m na costa e diminui conforme em direção ao interior. Hipótese 6: Não se levarão em conta estruturas (fraturas) condutoras de fluxo preferenciais. Os materiais implicados na modelagem são considerados meios porosos isotrópicos e homogêneos. Hipótese 7: A direção principal de drenagem superficial e subterrânea da bacia é para o mar, a exceção da zona da pedreira que constitui por si mesma a zona de drenagem interno facilitado pelos bombeamentos. Hipótese 8: Apenas as litologias do Triássico do solo estão sendo consideradas no afloramento da zona sul (Unidade Trias, Figura 5.1). Isto significa que nem os xistos, nem os materiais do quaternário de cobertura, como os aluviais e eluviais, estão sendo considerados na superfície do terreno Parâmetros dos materiais O valor inicial da condutividade hidráulica para cada uma das unidades hidrogeológicas é um parâmetro que não se têm dados nem informação quantitativa. Portanto, partiu-se da recopilação bibliográfica por distintos autores em função das distintas litologias foram recopilados por Díaz como faixas de valores orientados para os diferentes materiais daquela região em estudo. Estas condutividades hidráulicas ainda serão objeto de calibração.

120 120 Tabela 5.6 Valores de condutividade hidráulicas (cm/s) para materiais de acordo com diferentes autores. (Díaz, 2012, adaptado de San Roman, 2008) Domenico Smith & W Freeze Fetter Sanders Sedimentos Pedregulho 25 a a a a 1000 Pedregulho com areia Areia grossa 0.1 a 500 Areia média 0.1 a a 1 a a Areia fina 0.02 a a 1 Areia argilosa Slite, sedimentos depositados pelo vento 0.01 a a a a a a a a a 1 Argila 10-6 a 4* a a a 10-3 Argila marinha inalterada 10-7 a 2* a 10-7 Rochas sedimentares Calcário carstificado 0.1 a a a a 10-7 Calcário, dolomitos 10-4 a a a a 1 Arenito 3*10-5 a a a 1 Siltito (siltstone) Xisto de origem sedimentar intato 10-6 a a 2* a a a 10-8 Xisto de origem sedimentar fraturado/alterado 10 4 a Desenvolvimento do modelo numérico O modelo conceitual a ser modelado numericamente é conformado em função das referidas seções transversais e longitudinais (Figura Anexo 2) que indicam o dobramento sinclinal (Figura 5.2). Este processo requereu a ajuda de programas como o Autocad Civil 3D, Google Earth, ArcGis, Excel MO, entre outras ferramentas computacionais que permitiram a importação adequada dos dados para a geração da malha de elementos finitos e relevo da superfície no FEFLOW 6.2. A discretização da malha levou em conta um refinamento horizontal na zona da cava onde é necessário reproduzir resultados com mais precisão, em aqueles lugares onde o contraste de condutividades hidráulicas seja grande para evitar problemas de convergência numérica e em zonas adjacentes aos arroios.

121 121 Algumas características importantes do modelo numérico são descritas a seguir: Área total do modelo: m2, cobrindo 100% da bacia. Discretização: elementos triangulares (células) com nós (pontos de interseção das células). 17 camadas numéricas distribuídas verticalmente em 7 unidades hidrogeológicas. O modelo numérico de fluxo no FEFLOW é mostrado na Figura 5.4, e a descrição das camadas hidrogeológicas na Figura 5.5. Detalhe da,mina a céu aberto Figura 5.4 Modelo numérico de fluxo em FEFLOW com a localização da mina a céu aberto (ao ano de 2010). Cabe ressaltar que as camadas numéricas não foram deformadas em relação às camadas geológicas. Neste caso camadas não-deformáveis foram empregadas tentando-se reproduzir a forma da distribuição geológica. Na elaboração deste modelo numérico alguns processos deverão ser realizados, os quais serão mais bem descritos nas seguintes seções: 1. Pontos de calibração do modelo. 2. Condições de contorno utilizadas assim como as demais drenagens. 3. Calibração das propriedades hidráulicas das unidades hidrogeológicas

122 122 Triássico Arenito superior Dolomito Calcário inferior Xisto Calcário superior Calcário superior (lado do mar) Arenito inferior Figura Unidades hidrogeológicas que conformam o modelo numérico no FEFLOW para a mina a céu aberto Pontos de calibração do modelo A diferença do caso da mina subterrânea (Capítulo 4), neste caso de mina a céu aberto não existem dados de monitoramento suficientes que abrangem espacialmente o modelo todo de uma maneira adequada limitando a calibração do modelo aos dados de medições disponíveis. Como parâmetros de controle ficam estabelecidos dois tipos de medições: 1. Leituras piezométricas, situados na unidade hidrogeológica Calcário Superior (Tabela 5.7, Figura 5.2). 2. Registros de vazão de drenagem da cava, calculados a partir de horímetros das bombas, considerado o principal parâmetro de controle (Tabela 5.8). Como referenciado anteriormente, a drenagem na cava é o principal problema da mina. Esta será, portanto, a zona de balanço onde a quantificação das vazões de entrada e saída em toda esta superfície será ainda feita de maneira independente do resto do modelo.

123 123 Tabela Poços de medição usados na calibração do modelo Mina a céu aberto (Díaz, 2012). Código Poços de medição Valor médio de piezometria (m.s.n.m) 1 B C D I L M Tabela 5.8 Medições de vazão na cava (Díaz, 2012) Fluxo Vazão média (m3/dia) Vazão de drenagem na cava (maio/2010-abril/2011) Condições de contorno Condições de contorno hidráulicas estão sendo atribuídas ao modelo, descritas a seguir e ilustradas na Figura 5.6. C. C. Tipo 1 ou de Dirichlet: com carga hidráulica constante h=0, usada na região que limita com o mar. C.C. Tipo 2 ou de Neumann: implica em um fluxo imposto devido à precipitação, pela imposição de uma taxa de chuva apenas no topo do modelo (layer 1) onde o programa calculará o fluxo de entrada em cada nó. Além das condições de contorno imputadas, o programa assume que onde não estão especificadas alguma condição, então este assumirá que esses contornos são impermeáveis, i.e., fluxo igual zero, representando desta forma, as divisórias de águas que definem a bacia.

124 124 C.C.Tipo 2 ou de Neumann Mina a céu aberto C.C.Tipo 1 ou de Dirichlet OBS: os contornos laterais e inferior do modelo representam contornos impermeáveis (fluxo igual a zero. Figura Condições de contorno hidráulicas atribuídas ao modelo numérico Calibração do modelo numérico O processo de calibração do modelo numérico foi efetivado pelo método de Tentativa-e-Erro (item ) baseados nos dados descritos no item O processo de calibração estabelece critérios necessários para a avaliação dos seus resultados, correspondentes aos parâmetros de condutividade hidráulica e de recarga. Estes critérios também definem a qualidade da calibração durante seu processo Avaliação e critérios da calibração Esta calibração é feita em termos de carga hidráulica, comparando as cargas hidráulicas observadas no campo com as que resultam do modelo numérico conceitual, e ao mesmo tempo, comparando as vazões medidas no campo, durante o período Abril 2010 Maio 2011, com a vazão de saída na cava calculada, correspondente ao mesmo período. A avaliação dos resultados da calibração obtidos é feita pelo método estatístico (item ) ou quantitativo, determinando a faixa de erros pelos métodos Erro Médio (ME), Erro Médio Absoluto (MAE), e Erro da Raiz média

125 125 Quadrática (RMS). Esta avaliação é mostrada na Tabela 5.9, que podem ser considerados como satisfatórios dentro da faixa trabalhada. O erro associado à calibração para as piezometrias fica estabelecido em função dos dados disponíveis e da fiabilidade destas, situando em um valor de 3m entre os valores simulados e os valores médios. Este valor é estimado na base das flutuações observadas nas medições dos poços. O erro associado ao valor da calibração da vazão que drena para a cava da pedreira em relação aos valores reais se estabelece em um 5% estimado a partir das margens do erro suposto nas medições das bombas. De acordo com os resultados obtidos (Tabela 5.9), estes valores estão dentro da faixa recomendada, i.e., os erros RMSE, MAE e ME calculados para este estudo devem estar na faixa de + 3 m, e 5% de erro na vazão de saída na cava. Tabela Resultado da avaliação estatística para carga hidráulica e vazão de saída na cava Resultados RMSE - The Root Mean Squared Error (m) 2,76 MAE - The mean Absolute Error (m) 2,36 ME - The mean Error (m) -0,05 Discrepância de vazões (m 3 /h) 2,75% Na Figura 5.7 é apresentada a comparação gráfica das cargas hidráulicas calculadas com as medidas no campo, para os 6 pontos de controle 1: (B-8-3), 2:(C-7-1), 3:(D-7-1), 4: (I-4-1), 5: (L-2-3) e 6: (M-2-2), onde os números do 1-6 representam os códigos dos pontos de controle. A partir destes resultados pode-se observar uma tênue diferença entre ambos os valores de cargas (calculadas e monitoradas). Os residuais obtidos (diferença entre níveis observado e simulado) varina entre 0,4m e 3,84m. O coeficiente de correlação R (item ) e o coeficiente de determinação R 2 foram também verificados, baseados na média e no desvio padrão das cargas hidráulicas calculadas e medidas. Em modelos hidrogeológicos um modelo é considerado calibrado quando o coeficiente de correlação é no mínimo de 0,95, Na Figura 5.8 se apresenta os resultados da calibração em termos de R 2, resultando em um valor de R de 0,998.

126 126 Figura Comparação das cargas hidráulicas calculadas e registradas no campo Figura 5.8 Ajuste das cargas hidráulicas calculadas e registradas no campo Resultados da calibração Os valores da calibração da condutividade hidráulica, k, resultantes para unidades hidrogeológicas (Figura 5.5) estão sendo apresentados na Tabela Estes dados foram baseados inicialmente nas referências bibliográficas (Tabela 5.6). Os valores de rendimento específico, Sy, necessários para as análises transientes foram retiradas da literatura, de acordo com Custódio & Llamas (1976).

127 127 Tabela Propriedades hidráulicas das diferentes unidades hidrogeológicas do modelo numérico Unidade k (m/s) Sy Calcário Superior (zona pedreira mar) 1,16E-06 0,005 Calcário Superior 1,16E-05 0,005 Calcário Inferior 1,16E-05 0,005 Arenito Superior 1,16E-08 0,10 Arenito Inferior 1,16E-07 0,10 Triássico 1,16E-06 0,15 Dolomito 1,16E Sucessão Turbidítica 1,16E-08 0,10 Figura Superfície potenciométrica simulada para a mina a céu aberto. A Tabela 5.11 mostra o balanço de massa obtido para a mina. A Figura 5.9 mostra a superfície potenciométrica simulada. Tabela 5.11 Balanço de massa para a mina a céu aberto Análise de sensibilidade Entrada m3/h Saída m3/h Recarga 512,83 Mar 108,82 Mar 1,31 Mina 405,31 Total 514,14 Total 514,13 Como resultado da análise de sensibilidade foram obtidas faixas de valores possíveis para a condutividade hidráulica de cada unidade hidrogeológicas

128 128 levando em conta os erros permissíveis tanto para os resultados das cargas hidráulicas quanto para as vazões de saída na pedreira. Nos resultados mostrados na Tabela 5.12 estão sendo mostradas as faixas de condutividades, onde o calcário superior mostra-se ser um parâmetro muito sensível revelando-se na curta faixa de variação em comparação com as outras unidades hidrogeológicas, que diferem em até uma ordem de grandeza. Tabela 5.12 Balanço de massa para a mina a céu aberto. Unidade Calcário Superior (zona canteira mar) Calcário Superior Calcário Inferior Arenito Superior Arenito Inferior Faixa condutividades hidráulicas (m/s) 4,6E-07-1,4E-06 8,1E-06-1,4E-05 4,6E-06-1,9E-05 4,62E-09-1,5E-08 4,6E-08-1,9E Condição hidráulica da mina Uma vez que o modelo foi calibrado este será usado para avaliar a condição hidráulica da mina, isto é, sua dinâmica de fluxo, principalmente na região da cava onde foi observado no campo a ocorrência de infiltração e inundação de um volume de água a ser bombeado (405,31 m3/h). Das Figura 5.10 e Figura 5.11 verifica-se a condição de inundação na cava e a posição do lençol freático na bacia (linha branca), resultado das condições de contorno do domínio que indicam fluxos convergentes e divergentes no modelo (Figura 5.12). Na Figura 5.11 aprecia-se com maior detalhe a superfície de afloramento 14 na cava, onde as bolinhas de diferentes cores indicam as diferentes intensidades do fluxo de percolação. 14 Onde a carga hidráulica superou a de elevação do terreno.

129 129 cava Figura Superfície do lençol freático na mina e no domínio e a condição de inundação na cava da mina. A A Figura 5.11 Superfície de afloramento do lençol freático e distribuição de volumes de água na cava da mina. Na Figura 5.11 observa-se as zonas onde a superfície freática intersecta a superfície do terreno, produzindo, desta forma, o afloramento da água na cava. O FEFLOW para este caso apresenta uma opção essencial para lidar com este tipo de problemas de drenagem nas minas a céu aberto. Trata-se da configuração de restrições ao comportamento da superfície freática. Quando o FEFLOW detecta os

130 130 nós onde os níveis piezométricos ascendem alcançando a cota da superfície do terreno, neste caso, o FEFLOW configura nestes nós uma condição do tipo Dirichlet que tira a água correspondente ao modelo e impede que os níveis ascendam por cima de dita cota. Quando o FEFLOW detecta que os níveis nestes nós voltam a descer por baixo da cota da superfície, aparece uma restrição de contorno tipo Neumann com vazão de entrada nula, que impede que a condição de Dirichlet se comporte como uma fonte de água introduzindo água demais no modelo. A Figura 5.12 mostra a direção que o fluxo segue em direção à cava, representado aqui por meio das linhas de fluxo, indicando como a cava ocasiona fluxos radiais convergentes. Outra característica é a presença de fluxo ascendente observado tanto na intensidade e direção das linhas de fluxo quanto no perfil piezométrico da seção A-A (Figura 5.13). Detalhe da dinâmica de fluxo na cava Figura 5.12 Linhas de fluxo que indicam o caminho que a água segue em direção à cava da mina

131 131 Figura 5.13 Seção A-A : Perfil piezométrico e linhas de fluxo em direção à cava 5.7. Avaliação das técnicas de controle das águas cenários de simulação Atualmente esta mina é mantida em condições de trabalho pela implementação de valas perimetrais, valas internas e bombeamento dessas águas para fora da cava, que tem mostrado não serem muito eficiente já que por temporadas a mina tem paralisado por causa de inundações superficiais, em especial, quando chove com certo grau de intensidade. Devido à condição de fluxo da pedreira, em particular, na cava, algumas técnicas de controle das águas são necessárias e recomendadas de serem executadas no campo. Neste trabalho se simularão alguns arranjos de fluxo pela aplicação de técnicas de controle de águas com a possibilidade de implementação no campo. Estes arranjos envolvem o uso de diferentes técnicas (item 3.5) agrupadas para um melhor desempenho dependendo do requerimento da região em análise. Devido a que todo o processo de teste não poderá ser mostrado, apenas os resultados mais importantes estão sendo, a continuação, discutidos Arranjo 1: Poços de bombeamento Neste primeiro arranjo, diferentes distribuições de poços de bombeamento no interior da cava estão sendo estudados para avaliar o comportamento e

132 132 dinâmica do fluxo principalmente nesta região da mina. Para isto, um fator importante e conhecido é a quantidade de água que está sendo exfiltrada à cava, de aproximadamente, 405,31 m3/h (9727,44 m3/dia). Esta vazão será o valor objetivo para o qual diferentes distribuições e potências de poços serão projetadas, levando em conta que as suas capacidades atingiam ou ultrapassem o valor de exfiltração. Duas verificações estão sendo realizadas: A. Quando a soma das capacidades dos poços distribuídos no interior da cava apenas atingem a vazão de exfiltração; deixando a superfície da cava praticamente sem água, e, B. Quando a soma das capacidades dos poços distribuídos na cava é maior do que a vazão de exfiltração; que além de deixar a cava sem água, a deixa em condições de trabalhabilidade em segurança, devido ao cone de rebaixamento gerado pelos poços implementados na região. O diâmetro dos poços para os diferentes projetos é mantido em 0,35 m, como recomendado por Powers et al., De acordo com o autor o único efeito do incremento do diâmetro do poço seria gerar maiores perdas de cargas no interior deste, mas, estas diferenças de perdas de cargas são quase desprezíveis na faixa de diâmetros que se trabalha no campo, portanto, não justifica trabalhar com diâmetros maiores. De acordo com o verificado na bibliografia, o diâmetro escolhido de 0,35 m é de prática corrente neste tipo de trabalhos. Opção (A): Capacidade de poços exfiltração Quando a capacidade dos poços é menor do que a exfiltração na cava, indica que estes foram projetados para (ou só conseguirão) desaguar as águas superficiais de afloramento geradas na cava, logo a distribuição de poços usados na região trabalharia como um sistema de bombeamento superficial.

133 133 Figura 5.14 Arranjo 1 - Opção (A): Vistas em planta da cava da pedreira para diferentes números de poços de idênticas profundidades e capacidades: a) 2 poços; b) 4 poços; c) 6 poços e d) 8 poços. Esta primeira verificação pretende mostrar a diferença do fluxo superficial modificado na cava da pedreira como resposta aos sistemas de poços incorporados na cava, os quais consistem de diferentes números de poços (com profundidade dos poços de 85 m) de idênticas capacidades. Quatro arranjos [(2 poços de 50 m3/h); (4 poços de 50 m3/h); (6 poços de 50 m3/h); (8 poços de 50 m3/h)] estão sendo verificados. Esta análise foi feita em condições de fluxo permanente já que o intuito é de verificar a condição final da cava sob a influência destes arranjos. A partir da Figura 5.14 verifica-se as diferenças na água acumulada na superfície da cava. Note que as legendas dos arranjos indicam as taxas de fluxo contidas na cava, as quais variam de acordo com o número de poços projetados.

134 134 Estes arranjos indicam que quanto maior número de poços distribuídos na cava, maior é a área desaguada. Este processo mesmo que pareça lógico pretende também validar a funcionalidade do sistema de fluxo numérico. Opção (B): Capacidade de poços > exfiltração Quando a capacidade dos poços é maior do que a exfiltração na cava, os poços projetados desaguam tanto as águas superfícies de afloramento quanto as águas subterrâneas (aquífero), isto é, a água percolada na superfície mais o rebaixamento do lençol freático. Logo, a distribuição de poços usada na região trabalharia como um sistema de bombeamento profundo, ideal para trabalhos de mineração por conseguir diminuir o lençol freático alguns metros abaixo a partir da base da cava (-17 NMM profundidade máxima), ideal para garantir condições de segurança dentro da cava. A incorporação de poços de bombeamento está distribuída no interior e exterior da cava da mina. Um único arranjo de distribuição está sendo aqui discutido, a pesar das várias tentativas de arranjos feitas dentro das recomendações aplicáveis na mineração, que sugere uma profundidade de rebaixamento do lençol freático média de 4m por ano. Este arranjo é mostrado em planta na Figura Nesta opção, a distribuição de poços interiores corresponde ao arranjo de 8 poços da opção (A), e foram adicionados poços de bombeamento exteriores à cava (no perímetro) [2 poços de 85 m de profundidade e 62,5 m3/h de capacidade] para poder captar as águas e rebaixar o lençol freático vindo dos taludes da cava. Mesmo que a capacidade total do sistema de rebaixamento seja maior do que a exfiltração na cava, os resultados aos 730 dias indicaram que existiram ainda pequenas exfiltrações nos taludes (condutividades hidráulicas na faixa de 10E-8 a 10E-08 m/s) sul oeste e oeste da cava, devido a que estes não conseguiram drenar nesse tempo, como indicado na Figura Três seções (A-A, B-B e C-C) foram escolhidas para verificação dos resultados da incorporação do sistema de poços, das quais a seção A-A é a mais crítica por apresentar maiores gradientes e, portanto, maiores exfiltrações na cava, previamente verificados nas análises de fluxo (item 5.6). A evolução no tempo do

135 135 rebaixamento do lençol freático (análise de fluxo transiente) para esta seção é apresentada na Figura O rebaixamento do lençol freático nas seções A-A, B- B e C-C é apenas representado na condição t (Figura 5.17). PI-5 PI-8 Exfiltração PI-6 A-A PI-4 PI-7 Talude oeste PE-2 B-B Talude suloeste PI-1 D PI-2 C-C PI-3 Exfiltração D PE-1 Figura 5.15 Arranjo 1 - Opção (B): Vista em planta da localização de um sistema com poços internos e externos à cava indicando a potenciometria resultante no tempo t na região da cava. Localização das seções A-A, B-B e C-C Da Figura 5.16 é possível observar a evolução do lençol freático com o tempo e da sua potenciometria. Cabe a pena lembrar que o FEFLOW trabalha com uma pseudo-não saturação para calcular a superfície freática (item ), mostrando resultados irreais de zona não saturada (valores de sução). Nesse sentido as cargas hidráulicas mostradas acima do lençol freático deverão ser desconsideradas para todos os casos. Do resultado da análise transiente verifica-se que apenas 50 dias seriam necessários para conseguir eliminar a superfície de afloramento na base da cava e aproximadamente 360 dias seriam necessários para atingir no mínimo 4 metros de profundidade de rebaixamento do lençol freático desde a base da cava, a partir da projeção de um sistema como este. Concluindose que este sistema funcionaria de forma ideal de acordo com a distribuição, profundidades e capacidades dos poços de bombeamento projetadas. A Figura 5.17 mostra um corte vertical 3D (abrangendo as seções A-A, B-B e C-C) que atravessa a maior quantidade de poços possíveis, na qual se observa a

136 136 superfície do lençol freático embaixo do nível do terreno para o tempo infinito, indicando a eficiência deste arranjo projetado. Talude oeste

137 137 Figura 5.16 Arranjo 1: Vista em corte vertical da Seção A-A indicando a superfície potenciométrica e o rebaixamento do lençol freático atingido devido ao funcionamento dos poços para diferentes tempos da análise transiente. PE-1 Base da cava Base da cava PI-3 PE-2 PI-4 PI-6 PI-8 Seção C-C Seção B-B Seção A-A Figura 5.17 Arranjo 1: Vista em corte vertical das seções A-A, B-B e C-C indicando a superfície potenciométrica no tempo t = no interior da cava devido à implementação dos poços de bombeamento Arranjo 2: Paredes cut-off Uma alternativa de projeto de controle das águas é usar paredes cut-off em lugares específicos onde exfiltrações localizadas devem ser reduzidas. A Figura 5.18 mostra a condição de exfiltração nos taludes sul oeste e oeste da cava para o tempo t=0 (modelo calibrado sem nenhum sistema de controle das águas). Neste arranjo, paredes cut-off foram dispostas nesse talude (Seção D-D) para verificar o comportamento do fluxo e o possível controle da exfiltração nesta região, sem a influência de qualquer outra técnica. Nesse contexto, duas paredes de 0,4m de espessura e profundidades de 55 m (PCO-1) e 30m (PCO-2) foram incorporadas. O dimensionamento destas paredes está dentro do recomendado na literatura, que sugere profundidades de até 70m (item ).

138 138 Exfiltração (talude sul oeste) Figura 5.18 Condição de exfiltração no talude sul oeste representado pela condição de contorno tipo 1 sem a incorporação de técnicas de controle das águas. A Figura 5.20 apresenta a seção D-D na que se pode apreciar a evolução no tempo do rebaixamento do lençol freático provocado pela implementação das paredes no talude sul oeste circunjacente à cava. Esta análise de fluxo foi elaborada para um modelo bidimensional gerada com base no método de Subescala já que uma completa simulação do modelo 3D resultaria excessivo e demorado demais para o que seria um problema localizado e tratando-se de uma análise de fluxo transiente, além do problema da discretização da malha, que não favorece a implementação destes elementos, e que o FEFLOW não permite incorporar elementos discretos cuja condutividade for menor do que o meio poroso. De acordo com Mandeci & Guven (2006), métodos de sub-escala 15 são normalmente utilizados para obter resultados mais exatos em uma região específica de certos domínios, onde o modelo global proporciona as condições de contorno necessárias para realiza a transferência de informação de interesse no submodelo. O modelo global utiliza uma malha grosseira para minimizar custos computacionais, enquanto que o submodelo possui uma malha mais refinada 15 Na literatura têm sido reportadas aplicações desta técnica para diferentes propósitos, sobretudo para problemas de tensão-deformação baseados no método dos elementos finitos (Martinez A, 2000).

139 139 visando melhorar a exatidão e capturar efeitos de escala local. Este método de sub-escala consegue resultados precisos e sobre tudo mais rápidos. No presente arranjo os procedimento e critérios do método de sub-escala foram usados, baseados na analogia da variável primária, neste caso, para poder transmitir a informação do modelo global (potenciometria) de fluxo tridimensional para o bidimensional (modelo local). Esta seção bidimensional permite analisar com maior detalhe as regiões de exfiltração e realizar análises transientes partindo de uma condição potenciométrica inicial, a qual cópia valores de carga hidráulicas determinados nos nós do modelo 3D, inserindo-os no modelo 2D como condições de contorno, com a finalidade de reproduzir o mesmo comportamento na dinâmica de fluxo. Exfiltração Exfiltração Figura 5.19 Arranjo 2: Condição inicial para a análise de fluxo bidimensional na seção D-D (a) referente às cargas de pressão e (b) referente às cargas hidráulicas. A partir dos resultados da análise verificam-se distribuições de cargas de pressão negativas (acima do lençol freático) (Figura 5.19) indicam a região de pseudo-não saturação (configuração do FEFLOW para o cálculo da linha freática).

140 140 Devido a que esta região de pseudo-não saturação pode causar confusão no momento de avaliar os resultados do arranjo, aqui estas cargas estão sendo limitadas ao valor de zero nas análises de fluxo transiente (Figura 5.20) para poder apreciar os diferentes níveis do lençol freático ao longo do tempo nos taludes, geradas por estas paredes cut-off. De acordo como o observado na Figura 5.20, o rebaixamento conseguido neste arranjo é maior do que no caso do arranjo 1 (poços de bombeamento) devido a que as paredes cut-off estão sendo instaladas em uma zona de exfiltração específica (região delimitada em vermelho na Figura 5.19b) onde foi verificado que os poços de bombeamento não conseguiram rebaixar completamente. Contudo, devido às características do material geológico, o rebaixamento ainda é baixo do esperado neste tipo de projetos. Região em análise Figura 5.20 Arranjo 2: Análise de fluxo transiente (seção D-D) indicando a evolução do lençol freático devido à incorporação das paredes cut-off

141 141 Este rebaixamento do lençol freático atingido foi de aproximadamente 4m nos primeiros 280 dias, atingindo praticamente os 12 m ainda nos 970 dias. Estes resultados indicam que as paredes cut-off (PCO-1 e PCO-2) mostraram resultados favoráveis a partir do 3 ano (970 dias) de terem sido instaladas. Esse comportamento de fluxo é devido à baixa condutividade hidráulicas, causado pelas características hidrogeológicas dos materiais, neste caso, o Dolomito, cuja condutividade hidráulica está na faixa de 1,16 E-07 m/s (Tabela 5.10). Portanto, nesta avaliação conclui-se que as paredes cut-off além de ser uma das técnicas de controle de água mais caras de serem implementadas, estas não se mostram muito eficiente quando construídas em materiais de baixa permeabilidade, sendo recomendado em materiais mais permeáveis por conseguir respostas mais favoráveis em menor tempo. Porém, seu uso não é descartado quando se requer que efeitos do rebaixamento não atingiam fontes naturais de águas superficiais localizadas próximas à região em análise sendo que estas fontes poderiam se secar diante de um potencial rebaixamento do lençol freático Arranjo 3: Ponteiras filtrantes, drenos horizontais e poços de bombeamento Neste arranjo a instalação e eficiência de um conjunto de técnicas de controle de água, específico para tratar a exfiltração em um dos taludes é aqui verificada. A partir dos resultados do arranjo 1 (item 5.7.1), relativo à instalação de poços de bombeamento, verificou-se que o nível piezométrico na cava foi diminuído, porém mantendo uma exfiltração localizada nos taludes sul-oeste e oeste (Figura 5.15). Neste arranjo este problema de exfiltração é abordado mais especificamente para o talude sul-oeste, como indicado na Figura 5.21, pela implementação de um sistema de drenos horizontais e de ponteiras filtrantes instalados nesta região (Figura 5.22), com o objetivo de complementar o sistema de bombeamento. Este sistema de drenos horizontais e ponteiras filtrantes foram dispostos em torno da área de exfiltração (Figura 5.22) para mostrar como o sistema responderia, a partir da implementação deste arranjo, na condição do talude. Estes drenos e ponteiras foram representados por elementos discretos 1D (Lei de

142 142 Darcy), do tipo Arbitrary node. Quatro drenos horizontais foram colocados separados cada 20m, de 60m comprimento e 0,12m de diâmetro. No caso das ponteiras filtrantes, em um total de 40, foram dispostos circundando o talude suloeste da cava, um nível abaixo dos drenos horizontais, como indicado na Figura 5.22, distanciadas cada 4-5m, com comprimentos verticais de 10-12m e diâmetro de 0,10m. Talude sul-oeste Exfiltração PI-1 Figura 5.21 Seção D-D: Exfiltração no talude sul-oeste, resultado do Arranjo 1. Figura Disposição dos drenos horizontais e ponteiras filtrantes a ser implementado no talude sul-oeste de exfiltração (seção D-D) a ser analisado no Arranjo 3.

143 143 O sistema drenos-ponteiras filtrantes e poços, cujos resultados estão sendo mostrados para a seção D-D, apresentaram-se favoráveis, apontando a uma melhora significativa (ou total eliminação) da exfiltração neste talude. Os resultados podem ser verificados aqui para diferentes tempos na análise transiente, t=10d (Figura 5.23), t=50d (Figura 5.24), t=100d (Figura 5.25) e t=360d (Figura 5.26), onde as figuras (a) representam a evolução do fluxo apenas com os poços de bombeamento e as figuras (b) e (c) os sistema de poços de bombeamento em conjunto com o sistema de drenos horizontais e ponteiras filtrantes. Estes casos (b) e (c) estão sendo avaliados a seguir para encontrar a melhor forma de representação dos drenos horizontais em um modelo numérico. Após a avaliação dos resultados foi observado o funcionamento dos elementos discretos que representam os drenos horizontais, onde o comportamento do fluxo não estaria correspondendo para o caso (b) como os esperados nos campo, devido a que os drenos horizontais simulados nas figuras (b) são representados por elementos Arbitrary node que apenas atuam nos nós iniciais e finais, além de trabalhar como tubos fechados que só permitem fluxos de entrada e saída nesses dois pontos do elemento (Figura 4.13). Portanto, este tipo de elemento foi modificado para o tipo Edge Slice, simulados nas figuras (c), que atuam nas bordas dos elementos, atuando como um elemento de alta condutividade ao longo do seu comprimento (Figura 4.13), além do que este consegue conectar uma maior quantidade de nós desde o início até o final, mostrando uma melhor adaptação numérica do sistema de fluxo, a qual simula um comportamento mais próximo com os esperados no campo, refletido nos resultados obtidos.

144 144 (a) Exfiltração PI-1 (b) Drenos horizontais Arbitrary node Ponteira filtrante PI-1 (c) Drenos horizontais Edge slice Ponteira filtrante PI-1 Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=10d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento.

145 145 (a) Exfiltração PI-1 (b) Drenos horizontais Arbitrary node Ponteira filtrante PI-1 (c) Drenos horizontais Edge slice Ponteira filtrante PI-1 Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=50d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento.

146 146 (a) Exfiltração PI-1 (b) Drenos horizontais Arbitrary node Ponteira filtrante PI-1 (c) Drenos horizontais Edge slice Ponteira filtrante PI-1 Figura Arranjo 3: Seção D-D - (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=100d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento.

147 147 (a) Exfiltração PI-1 (b) Drenos horizontais Arbitrary node Ponteira filtrante PI-1 (c) Drenos horizontais Edge slice Ponteira filtrante PI-1 Figura 5.26 Arranjo 3: Seção D-D (a) Poços de bombeamento (Arranjo 1); (b) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Arbitrary node) e ponteiras filtrantes; (c) Poços de bombeamento mais drenos horizontais (Edge slice) e ponteiras filtrantes. Tempo de análise t=360d. As figuras (b) representam um rebaixamento localizado nos extremos dos elementos, (c) representam um rebaixamento mais uniforme e, portanto, maior ao longo do seu comprimento.

148 6 Conclusões e Recomendações Nesta dissertação conclui-se que o código FEFLOW é uma ferramenta robusta para representar sistemas hidrogeológicos não confinados com geometrias tridimensionais profundas e complexas, como normalmente abrangem projetos de mineração, além de permitir a inclusão de elementos discretos 1D e 2D para a representação de estruturas geológicas no modelo, tornando, desse modo, o modelo numérico mais representativo da realidade. 1. Como resultado da modificação da condição tipo 3 para tipo 1 no caso da mina subterrânea de Vazante, observou-se que a condição tipo 1 fornece uma representação mais realista do nível do lençol freático e dos fluxos gerados para o aquífero. Isto devido a que a imposição da carga hidráulica conhecida é fixada no contorno correspondente ao rio, que para o caso da condição de contorno tipo 3 só usa a carga hidráulica conhecida como carga hidráulica de referência, para que posteriormente o programa a compare com a carga hidráulica calculada, gerando assim apenas representações de fluxos. 2. Se bem o programa FEFLOW tem a capacidade de incorporar no modelo numérico elementos discretos 1D os quais podem atravessar os elementos finitos (Arbitrary node), foi observado nos resultados que estes funcionam como tubos fechados ao longo do comprimento destes elementos, desde que estes elementos apenas estão conectados nos nós extremos. Contudo, estes elementos discretos conseguiram representar feições cársticas explicitamente, como no caso da mina de Vazante, porém, seu uso poderia ser melhorado se estes elementos atravessassem a maior quantidade de nós entre a mina e o aquífero. 3. No caso dos cenários feitos na avaliação do sistema de impermeabilização superficial do rio Santa Catarina subjacente à mina de Vazante, conclui-se que tanto para os cenários que consideram ou não feições cársticas, a impermeabilização total do rio é mais efetiva, devido a que o efeito de impermeabilização gera uma nova faixa de infiltração do rio para o aquífero à jusante da faixa impermeabilizada; que para o caso da impermeabilização total

149 149 este seria menos desfavorável, conseguindo assim, uma redução de fluxo de entrada para a mina de 18% (sem feições cársticas) a 23% (considerando feições cársticas). Outro efeito observado neste sistema de controle das águas foi o aumento de recarga das águas subterrâneas para a mina, o qual viu-se refletida na discordância do fluxo reduzido rio em comparação com o fluxo reduzido na mina. 4. Além de fornecer ao modelador opções especiais para quantificar fluxos de saída (superfícies de afloramento em minas a céu aberto) em comparação a outros códigos mais básicos que trabalham apenas com condições de contorno tipo Seepage. 5. Para o segundo estudo de caso, correspondente à mina a céu aberto, a opção que dispõe o FEFLOW resultou melhor em comparação à condição típica de Seepage (condição de contorno com que trabalha a maioria dos programas de fluxo subterrâneo), a vantagem desta opção foi que, não é necessário especificar ao modelo os contornos onde fluxos de saída poderiam ocorrer (elevação da carga hidráulica maior à elevação do terreno), deixando assim ao programa calcular as superfícies run-off de forma automática. Porém, este provoca uma condição iterativa da solução e só 30 iterações são realizadas para verificar as mudanças da carga hidráulica, além de precisar um esforço computacional muito maior ao necessitado pela condição de contorno tipo Seepage. 6. No arranjo 1, para o caso da mina a céu aberto, correspondente à instalação do sistema de poços, conclui-se que, este método como controle das aguas, se bem consegue tirar toda a agua percolada na superfície inferior da cada e ademais gerar um cone de rebaixamento, o qual tem um avanço de aproximadamente de 4 metros por ano, não alcança gerar um rebaixamento esperado nos taludes, devido a que estes apresentam uma permeabilidade muito baixa, pelo que foi necessário a implementação de sistemas de controle adicionais aos poços de bombeamento. 7. No arranjo 2, para o caso de mina a céu aberto, correspondente à instalação de paredes cut off, conclui-se que este método de controle das aguas, mesmo que seja muito custoso, é um dos poucos que assegura as fontes de aguas artificias (e.g. rios), não deixando que a extensão do cone de rebaixamento as atingia, porém, o seu uso seria mais recomendado em solos que não apresentem permeabilidades muito baixas, devido a que os resultado são muito demorados

150 150 como os obtidos neste arranjo, aonde resultados satisfatórias foram observados a partir de 2 anos. 8. No arranjo 3, para o caso da mina a céu aberto, correspondente à instalação de drenos horizontais e verticais, conclui-se que a forma mais adequada em representar estes elementos como sistema de controle de aguas no programa FEFLOW, é através de elementos discretos edge slice, devido a que estes geram respostas de fluxo no modelo numérico mais aproximados com as respostas esperadas no campo, devido a que estes se comportam como elementos de alta condutividade ao longo do seu comprimento, a diferencia dos elementos arbitrary node, já que, se bem estes podem atravessar os elementos finitos, só funcionam como tubos fechados ao longo do seu comprimento e apenas permitem fluxos de entrada e saída nos nós conectados (início e fim). Uma recomendação para remediar este defeito nos elementos arbitrary node, seria gerar uma malha mais refinada e conectar uma maior quantidade de nós para gerar mais nós de entrada de fluxo. 9. Em geral, conclui-se que, em projetos de mineração, a análise da seleção da técnica de rebaixamento, as vezes leva a uma escolha combinada de distintos métodos, e.g. usando paredes impermeáveis cut-off, sistema de poços de bombeamento e conjunto com a instalação de drenos horizontais e verticais. 10. A base para uma tomada de decisões deve ser o conhecimento das condições hidrogeológicas baseadas em investigações previas, sempre levando em contas aspectos ambientais, e ao lado de uma análise técnica, os custos de instalação e operacionais devem ser avaliados. Sugere-se: 1. Considerar a dinâmica do fluxo das águas superficial e como elas interagem com as águas subterrâneas, para uma representação mais realista dos fenômenos que acontecem em um sistema hidrogeológico.

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156 6