Uma abordagem prática sobre a qualidade granuloquímica do ROM no fluxo minausina utilizando tecnologia de posicionamento em alta precisão Área de

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1 Uma abordagem prática sobre a qualidade granuloquímica do ROM no fluxo minausina utilizando tecnologia de posicionamento em alta precisão Área de concentração: Tecnologia Mineral - Tratamento de Minérios Possíveis orientadores: Douglas Batista Mazzinghy / Carlos Enrique Arroyo Ortiz Justificativa/motivação para realização do projeto: A razão para a elaboração dessa pesquisa está relacionada otimização do aproveitamento das jazidas minerais associado a redução de custos operacionais através do aprimoramento do controle da qualidade do ROM no fluxo minausina, com a utilização de tecnologias de posicionamento em alta precisão nas atividades de lavra e integração de softwares de operação de mina, usina e laboratório. Objetivos: O objetivo deste trabalho é criar uma metodologia de análise e controle on-line da qualidade granuloquímica do minério de ferro, diretamente das frentes de lavra, visando o atendimento as especificações dos clientes e também gerar maior previsibilidade e redução na variabilidade das informações dos teores adjuntos ao minério na alimentação das usinas de concentração e processamento a seco, garantindo assim melhor aproveitamento da jazida, assegurando melhores práticas de segurança e redução de custos na mineração. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: A metodologia inicial será baseada nas informações do modelo de blocos geológico, com acúmulo da qualidade granuloquímica do ROM nas usinas de concentração em tempo real. Será desenvolvido um sistema de alerta aos responsáveis caso os limites estabelecidos sejam ultrapassados. Em outra vertente, estas informações serão armazenadas em um banco de dados e comparadas com resultados obtidos através das análises dos amostradores ao longo do processo produtivo com dados laboratoriais. Os primeiros produtos da pesquisa serão a aderência dos dados do modelo de blocos e controle de variabilidade ROM nas várias etapas do processo. Será desenvolvido um sistema baseado nos conceitos de Inteligência Artificial para controle automático de anormalidades e também um aplicativo para telefone celular exclusivo para análise da qualidade do minério. Uma metodologia complementar será desenvolvida para cálculo do índice de dureza da rocha com base nos dados coletados na atividade de perfuração (taxa de penetração, torque na haste de broca e pull-down) e utilizá-lo na retroalimentação das informações do modelo de blocos, de acordo com as coordenadas em alta precisão do furo. Serão realizados vários experimentos de maneira a criar uma escala de dureza associada aos tipos litológicos contidos na mina que será o alvo dos estudos (Mina Casa de Pedra CSN Mineração, Congonhas/MG). Principais referências consultadas: Takahashi, A., Dessureault, S. D. Block model reconstruction using truck fleet management system data, Mining Technology, v.118, n.2, p.53-58, Qinghua, G., Caiwu, L., Jinping, G., Shigun, J. Dynamic management system of ore blending in an open pit mine based on GIS/GPS/GPRS, Mining Science and Technology, V.20, p , Benndorf, J. Making Use of Online Production Data: Sequential Updating of Mineral Resource Models. Mathematical Geosciences, v.47, p , Simkus, R., Dance, A. Tracking hardness and size: measuring and monitoring ROM ore properties at Highland Valley Copper. In: MINE TO MILL CONFERENCE 1998, Brisbane, Australia, Proceedings of the Mine to Mill Conference, October 11-14, Flores, B. A., Cabral, I. E. Análise de sensibilidade na otimização econômica de uma cava. Revista Escola de Minas, v. 61, n 4, Ouro Preto, Brasil

2 Introdução As práticas recentes na mineração apontam para uma forte necessidade das mineradoras de investirem em tecnologias de extração mineral, visando à melhoria de desempenho operacional, segurança do trabalho e também melhor aproveitamento das jazidas na sua lavra e nas etapas de tratamento de minério, de acordo com a capacidade de processamento e limitações das usinas de concentração. Desta maneira, o conhecimento do minério que alimenta as plantas tem se mostrado cada vez mais necessário para melhor ajuste das usinas. Se tratando de lavra de minério de ferro, um dos grandes desafios no planejamento de lavra é a correta análise das informações do modelo de blocos geológico e geração de planos sequenciados que buscam metas de qualidade do minério na alimentação das usinas e plantas de processamento a seco. Torna-se necessário o desenvolvimento de estudos e técnicas para otimizar e viabilizar novas reservas minerais a partir de teores mais baixos, bem como adaptar os processos de beneficiamento mineral em decorrência de maior constância de riscos inseridos no negócio mineração, evidenciados principalmente a partir da recente crise no setor. O período compreendido pelos anos 2015 a 2017 se destacou por grande variabilidade nos preços do minério de ferro e consequente incerteza nas margens de lucro das empresas mineradoras. Outro ponto de grande atenção no cenário internacional foi o aumento das penalizações no preço de venda dos produtos devido a elevados teores de sílica e alumina. Este fator requer um controle de qualidade do minério cada vez mais apurado de modo a evitar perdas nas receitas das empresas. Um dos grandes problemas no setor mineral é a definição do volume de minério da jazida que podem ser economicamente lavradas. As técnicas de avaliação das reservas econômicas requerem a construção de um modelo de blocos gerado com informações geológicas, normalmente obtidas a partir de sondagens na etapa de exploração. A cada bloco desse modelo se associam informações como teores, granulometria, densidade, tipo litológico, etc. Utilizando essas informações se calcula o valor econômico para cada bloco, que é quase sempre, o benefício ou lucro que se espera obter com a extração e tratamento do conteúdo mineral presente em cada bloco (BUSTILLO et al., 1997; FLORES e CABRAL, 2008). De acordo com CARVALHO (2012), os atuais métodos de tratamento de minérios de ferro têm passado por constantes adequações, com o objetivo de obter melhorias no desempenho dos processos de concentração de minérios mais pobres em conteúdo metálico, com a presença cada vez mais constante de contaminantes nesses minérios, como sílica, alumina e fósforo. A escassez de reservas de minério de ferro com teores mais elevados, como as reservas de Hematita, também contribuem para a busca por tecnologias de aproveitamento de minérios de ferro com teores mais pobres como os minérios itabiríticos e também por blendagens mais precisas. Diante da evolução tecnológica e da introdução de conceitos como Big Data e Business Inteligence nos últimos anos, surgiram diversas possibilidades para desenvolvimento de metodologias de análise de dados on-line sobre diferentes aspectos da cadeia de produção mineral. TAKAHASHI e DESSUREAULT (2009) desenvolveram uma metodologia teórica para construir um modelo de blocos de curto prazo para estoques de minério utilizando informações de coordenadas de alta precisão geradas na operação de carregamento, associadas com o modelo de blocos da frente de lavra. Foram utilizadas também as coordenadas dos pontos de basculamento geradas pelos caminhões para detalhamento e composição dos estoques. BENNDORF (2015) fez uma abordagem sobre o uso de dados de produção e teores químicos para a atualização de modelo de blocos no sequenciamento de lavra. A metodologia baseia-se nas diferenças entre as previsões do modelo de blocos e das informações de sensores instalados nos equipamentos de carregamento para caracterização do material escavado. O

3 autor cita que a capacidade de explorar essas informações e realizar uma retroalimentação para modelos de blocos, abrirá novas oportunidades para melhor tomada de decisões no planejamento de curto prazo e controle operacional. Uma metodologia para controlar índices de fragmentação de rochas foi proposta por SIMKUS e DANCE (1998) com base nos dados coletados em torno de máquinas de perfuração. Como a broca avança no furo, um índice de escavação é previsto com base na taxa de penetração, torque na haste de broca e pull-down da máquina. Um valor de dureza é associado para cada litotipo presente na mina nas coordenadas dos furos realizados, que permitem gerar mapa de contorno de dureza de minério em todo o site da mina. Este mapa de contorno é usado para atribuir um valor de dureza aos fragmentos de uma área específica. O fator chave do trabalho são as informações oriundas da tecnologia de posicionamento em alta precisão instalado nos equipamentos carregamento e perfuração da mina. A capacidade de determinar a posição exata da caçamba das escavadeiras ou pácarregadeira em todos os carregamentos torna possível controlar o volume e a fonte de todos os passes carregados em um caminhão. O fator de acuracidade do modelo de blocos torna-se fundamental para o correto apontamento e controle da qualidade do material. Originalidade / Inovação A razão para a elaboração dessa pesquisa está relacionada ao conceito de mineração sustentável, em obter melhor aproveitamento das jazidas minerais utilizando tecnologias de posicionamento de alta precisão nas atividades de lavra nas minerações. Este estudo pode ser justificado pela inovação da metodologia utilizada para controlar a qualidade do minério lavrado, pela possibilidade de controle de posicionamento dos equipamentos de carregamento e pela relevância do tema abordado no atual cenário da mineração. Atualmente, as empresas necessitam cada vez mais de produtos finais que apresentem qualidade assegurada, reduzindo desvios nos teores químicos tanto nos limites inferiores quanto nos limites superiores de especificação. Isso faz com que os procedimentos adotados na efetivação do controle de qualidade permitam resultados de grande confiabilidade. Por essa razão, a identificação do erro a ser gerado por esse controle é fundamental para possibilitar a precisão e a tratativa exigida. Uma amostragem mal conduzida pode resultar em prejuízos elevados ou levar a resultados distorcidos, gerando tomada de decisões erradas no tratamento das anomalias identificadas. As metodologias existentes atualmente possuem grande dependência de análises laboratoriais. Estas análises necessitam de determinado tempo para serem realizadas, desde a amostragem, o transporte ao laboratório e o procedimento de análise. Nem sempre este fluxo atende as demandas da área de planejamento de mina, pois as jazidas tendem a ser cada vez mais heterogêneas e as demandas por análises mais rápidas são mais necessárias. Outro ponto importante são os erros nos resultados das amostragens devido a problemas na disponibilidade dos amostradores, falhas na coleta de amostras e também no seu manuseio. A qualidade amostrada por vezes diverge daquela estimada pelo modelo geológico. A entrega de um produto de qualidade inapropriada resulta em deméritos na venda do mesmo. No que diz respeito à inovação da metodologia estudada, pode-se dizer que o desenvolvimento das pilhas de ROM está ligado a blendagem do material das frentes de lavra e amostragens periódicas realizadas em diferentes etapas do processo, como na separação de produtos finais (granulado, sínter feed e pellet feed). A partir do momento em que se utilize uma ferramenta que seja capaz de controlar a qualidade do minério das frentes de lavra em tempo real, é possível estipular ações e correções mais ágeis para possíveis desvios, além de acompanhar o desenvolvimento de cada pilha de ROM formada. Outra possibilidade é a busca da produção com a qualidade granuloquímica estipulada de acordo com as especificações de 3

4 cada cliente de forma exclusiva, possibilitando a análise e rastreamento do minério no fluxo: Mina - Usina - Ferrovia - Porto. Este trabalho é de grande relevância, pois um dos grandes desafios do gerenciamento do fluxo de produção mineral (mina / usina / embarque) é o controle das incertezas de todas as áreas envolvidas no processo, como a geologia, amostragens, receitas, despesas e desempenho operacional. Outro ponto relevante é a atualidade do tema devido atual tendência econômica em deméritos nas receitas de materiais com altos teores de contaminantes (sílica e alumina). Foram encontradas pesquisas sobre o tema através de revisões bibliográficas, sendo a maioria das pesquisas dedicadas a estudos teóricos sobre os benefícios que a utilização da tecnologia de posicionamento em alta precisão pode agregar na área da mineração. Foram encontrados estudos de caso que abordam o assunto de controle de qualidade em variadas substâncias minerais (carvão, nióbio, cobre, ferro) utilizando o posicionamento em alta precisão, porém com ferramentas e abordagens diferentes comparadas com esta proposta de pesquisa, que propõe utilizar dados de blocos de forma individualizada. A possibilidade de gerenciamento dos dados de qualidade do ROM referente ao minério de ferro sugere um enorme potencial para melhorias na gestão de processos (mina e usina) e redução de custos. A precisão na previsão das informações dos teores granuloquímicos dos blocos lavrados será maximizada, levando a redução na frequência de erros de classificação do modelo. Como resultado, o controle de qualidade do minério produzido será mais eficiente e a jazida mineral será melhor otimizada. Materiais e métodos As informações utilizadas na pesquisa serão extraídas do sistema de gerenciamento de frotas que monitora todos os equipamentos de carga, transporte e infraestrutura de mina. O sistema de gerenciamento de frotas utilizado na mina é o IntelliMine desenvolvido pela empresa Modular Mining. Ele recebe dados em tempo real, através de informações via rede wireless, utilização de GPS e computador de bordo embarcado em cada equipamento. Os dados de maior relevância na pesquisa são oriundos do sistema de posicionamento em alta precisão e do modelo geológico de blocos. A tecnologia de GPS de alta precisão (GPS High Precision) tem várias aplicações na indústria de mineração que podem ajudar a aumentar a produtividade dos equipamentos, a seletividade da lavra e reduzir o custo operacional da mina, além da possibilidade de maior aproveitamento da jazida. A precisão é determinada pelo receptor utilizado nas unidades de GPS, que pode ser classificada como Baixa Precisão ou Alta Precisão. A precisão média de equipamentos instalados com GPS de baixa precisão é de aproximadamente de 10 metros, enquanto que para equipamentos instalados com GPS de alta precisão, chega a menos de 15 cm. A atualização da posição de cada equipamento de mina é realizada através de receptores GPS instalados nos equipamentos e os sinais são corrigidos através uma estação terrestre com coordenadas conhecidas. Assim que o receptor de GPS atualiza a posição e a informação chega ao computador dedicado instalado no equipamento, a informação é transmitida ao servidor central (sala de controle). O modelo geológico de blocos (MB) utilizado será o modelo de curto prazo, conhecido como modelo casca. Ele é gerado pela equipe de Geologia de Mina e possui atualizações semanais. O MB possui todas as informações referentes a teores granuloquímicos do minério de ferro, divididos em blocos de dimensões 6,25m 6,25m 13m. A metodologia desenvolvida se inicia com a importação das informações do MB para o banco de dados do sistema de gerenciamento de frotas. Como premissa inicial da pesquisa, será desenvolvida uma metodologia de análise que propõe a sincronização da posição espacial dos blocos geológicos do modelo com as coordenadas geográficas da caçamba dos equipamentos de carga emitidas em alta precisão. 4

5 Através destas informações será possível criar uma base de dados alimentada em tempo real, com o objetivo de criar um sistema de Controle de Qualidade On-line de maneira a permitir maior agilidade na tomada de decisões relacionada a qualidade das pilhas de ROM em formação para alimentação das usinas. Um ponto crítico identificado é a confiabilidade das informações do MB. Estas informações são fundamentais para maior assertividade do controle de qualidade proposto. Existem algumas falhas associadas ao processo de confecção do MB, desde as estimativas geoestatísticas, dimensionamento de malhas de sondagem e interpretações geológicas. Será proposta a criação de um indicador de controle para o MB através da comparação das informações do modelo com as análises laboratoriais das amostras coletadas nas frentes de lavra. Este indicador pode direcionar a equipe de geologia para realização de trabalhos de pesquisa nos pontos críticos identificados. Estes trabalhos incluem a realização de abertura de trincheiras, canaletas, utilização de perfuratrizes para análise dos fragmentos resultantes dos furos e atualizações mais frequentes do MB. A figura 1 mostra o fluxo da metodologia inicial proposta no trabalho: Inputs Carregamento e transporte Controle de qualidade On-line Análises Laboratoriais Aderência ao modelo de blocos Modelo de blocos geológico Coordenadas em alta precisão Pilhas de Homogeneização Figura 1 Fluxo inicial da pesquisa A partir da validação dos dados do modelo de blocos, será realizado o monitoramento e tratamento dos dados relacionados aos teores granuloquímicos no fluxo produtivo compreendido entre a mina e a usina. A partir da britagem primária, existem amostradores em pontos fixos do processo onde são realizadas amostragens periódicas do minério gerando dados de qualidade. A figura 2 mostra o fluxograma simplificado da usina de beneficiamento de minério de ferro da mina Casa de Pedra. Em destaque (círculos vermelhos), estão o posicionamento dos amostradores nos processos da usina, carregamento e embarque: Figura 2 - Fluxograma simplificado da usina (Mina Casa de Pedra) 5

6 Será necessário a criação de uma interface entre os bancos de dados da empresa: sendo eles: 1) Sistema de gerenciamento de frotas (Modular Mining ); 2) Sistema de informações laboratoriais (LIMS ); e 3) Sistema de controle operacional de usina (PIMS ). A proposta consiste na criação de relatórios de controle, com o objetivo de analisar a variabilidade da qualidade nos diferentes estágios do processo. Será desenvolvido também um script baseado em conceitos de Inteligência Artificial onde serão gerados alarmes instantâneos aos técnicos responsáveis pela qualidade do ROM. Outro desenvolvimento previsto será a criação de um aplicativo para telefone celular nas plataformas Android e IOS para acompanhamento da qualidade do ROM em tempo real e também com configurações para geração de alertas de não conformidades. Outra vertente desta pesquisa é o desenvolvimento de uma metodologia para utilização das informações de perfuração para ajuste e validação das informações de qualidade granuloquímica do modelo de blocos. O desenvolvimento se baseia no cálculo do índice de dureza da rocha e sua utilização na retroalimentação das informações do modelo de blocos, de acordo com as coordenadas em alta precisão do furo. Serão realizados vários experimentos de maneira a criar uma escala de dureza associada aos tipos litológicos contidos na mina que será o alvo dos estudos. Infraestrutura e Recursos Necessários O trabalho será desenvolvido na Mina Casa de Pedra, pertencente à empresa CSN Mineração, localizada no município de Congonhas/MG. A empresa conta com equipamentos de grande porte para realização das atividades de produção e infraestrutura de mina. A estrutura atual de equipamentos da empresa conta com 08 escavadeiras hidráulicas (shovel); 04 páscarregadeiras (front-loaders), 38 caminhões (capacidade de transporte de 240t); 06 perfuratrizes; 18 tratores de esteira; 06 tratores de pneu e 06 motoniveladoras. A empresa CSN Mineração fará todos os investimentos em hardware e software que serão necessários para o desenvolvimento deste trabalho em duas etapas (Tabela 1), além de apoio na execução do projeto através do estabelecimento de parceria com a UFMG. O presente candidato se responsabiliza pela disponibilidade dos recursos necessários para a realização da pesquisa e também pelo tempo necessário para o desenvolvimento e execução das atividades necessárias para cumprimento dos requisitos do PPGEM. O investimento relacionado a Etapa 1 consiste na compra de sistema de alta precisão para equipamentos de carga. Este investimento já foi realizado, sendo que os dados já estão disponíveis para o início da pesquisa. O investimento relacionado a Etapa 2 consiste na compra de sistema de alta precisão para perfuratrizes. Este investimento foi aprovado e sua execução está programada para Tabela 1 - Investimento Financeiro Investimento - Projeto (R$) Etapa 1 Etapa 2 Total SOFTWARE HARDWARE SERVIÇOS TOTAL As metodologias que serão desenvolvidas neste trabalho serão aplicadas utilizando informações obtidas através do banco de dados existente na mina Casa de Pedra. 6

7 Banco de dados (BD): A construção de um banco de dados é realizada através de um processo de armazenamento dos dados em um computador servidor que seja controlado por um Sistema Gerenciador de Base de Dados. A base de dados pode ser gerenciada com a utilização de funções definidas, como consultas, recuperação de dados específicos, modificação de sua estrutura (inserções, atualizações e remoções) e geração de relatórios. Os dados enviados pelos equipamentos são armazenados em um servidor exclusivo, sendo possível realizar consultas automatizadas, gerando informações confiáveis. O BD do sistema possui vários registros de operação e através de consultas pré-determinadas, desenvolvidas em linguagem SQL, são gerados relatórios customizados sobre os dados coletados durantes as operações, em tempo real. Cronograma de Execução O cronograma previsto para execução do projeto, divido em bimestres, se encontra na tabela 2. Tabela 2 Cronograma físico de execução do projeto (bimestres) Etapas Revisão bibliográfica completa Caracterização do Problema Definição da metodologia (GPS - MB) Desenvolvimento da Metodologia (GPS - MB) Criação de script de importação MB Indicador de controle MB Testes e Validação dos dados Defesa de qualificação Publicação do artigo 1 Criação de interfaces entre BD Desenvolvimento de relatórios de controle Desenvolvimento de script de IA Desenvolvimento de aplicativo para celular Validação interna / externa Confiabilidade / Replicabilidade Publicação do artigo 2 Definição da Metodologia (Perfuração) Criação de escala de dureza dos litotipos Aplicação da metodologia Testes e Validação dos dados Defesa da Tese Ajustes do documento As etapas críticas do projeto são o desenvolvimento de interfaces entre bancos de dados e metodologia para criação da escala de dureza dos litotipos. 7

8 Revisão Bibliográfica Benndorf, J. Making Use of Online Production Data: Sequential Updating of Mineral Resource Models. Mathematical Geosciences, v.47, p , Bianchi, T.; Ezawa, L.; Ribeiro. (2009). Estudo de variabilidade de ROM (Run of Mine) usando ferramentas de otimização e simulação. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO Belo Horizonte, Brasil. Anais do Congresso Brasileiro de Mineração a 24 de Setembro Carter, R. A. Mining with Precision. Engineering and Mining Journal, n 206, p , Carvalho, B. C. Aproveitamento de minérios de ferro de baixo teor: tendências, tecnologias utilizadas e influências no sequenciamento de lavra. Universidade Federal de Ouro Preto. Ouro Preto, Brasil p. (Dissertação, Mestrado em Engenharia Mineral). Chanda, E. K. C., Dagdelen, K. Optimal blending of mining production using goal programming and interactive graphics systems. International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment, v.9, p , Flores, B. A., Cabral, I. E. Análise de sensibilidade na otimização econômica de uma cava. Revista Escola de Minas, v. 61, n 4, Ouro Preto, Brasil Jordaan J. T., Hendricks C. The Challenge of Technology Adoption and Utilization in the Mining Industry A Focus on Open Pit Mining Technologies. In: BASE METALS CONFERENCE Marshalltown, Botswana, Proceedings of the Base Metals Conference. The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. July Pinto, E. B. Despacho de caminhões em mineração usando lógica nebulosa, visando ao atendimento simultâneo de políticas excludentes. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil p. (Dissertação, Mestrado em Engenharia de Produção). Qinghua, G., Caiwu, L., Jinping, G., Shigun, J. Dynamic management system of ore blending in an open pit mine based on GIS/GPS/GPRS, Mining Science and Technology, V.20, p , Simkus, R., Dance, A. Tracking hardness and size: measuring and monitoring ROM ore properties at Highland Valley Copper. In: MINE TO MILL CONFERENCE 1998, Brisbane, Australia, Proceedings of the Mine to Mill Conference, October Takahashi, A., Dessureault, S. D. Block model reconstruction using truck fleet management system data, Mining Technology, v.118, n.2, p.53-58, White, J. W., Olson, J. P. Computer-based dispatching in mines with concurrent operating objectives, Mining Engineering, v.38, n.11, p