Johanna Mirelle Gómez Quevedo. Modelo de simulação para o sistema de carregamento e transporte em mina a céu aberto. Dissertação de Mestrado

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1 Johanna Mirelle Gómez Quevedo Modelo de simulação para o sistema de carregamento e transporte em mina a céu aberto Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção do Departamento de Engenharia Industrial da PUC- Rio. Orientador: Prof. Madiagne Diallo Co-Orientador: Prof. Leonardo Junqueira Lustosa Rio de Janeiro, 09 de outubro de 2009

2 2 Johanna Mirelle Gómez Quevedo Modelo de simulação para o sistema de carregamento e transporte em mina a céu aberto Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Produção da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Madiagne Diallo Orientador Departamento de Engenharia Industrial PUC-Rio Prof. Leonardo Junqueira Lustosa Co-Orientador Departamento de Engenharia de Produção UFF Prof. Eugenio Kahn Epprecht Departamento de Engenharia Industrial PUC-Rio Prof. Roberto Cintra Martins Departamento de Engenharia Industrial PUC-Rio Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 09 de outubro de 2009

3 3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Johanna Mirelle Gómez Quevedo Bachelerou-se em Engenharia de Produção pela Universidade Nacional de San Agustín. Durante a graduação, estagiou na empresa Sociedade Mineira Cerro Verde atuando no setor de mineração. Depois de graduada, ingressou no Programa de Pós-graduação em Engenharia Industrial da PUC-Rio para obtenção do título de Mestre. Gómez Quevedo, Johanna Mirelle Ficha Catalográfica Modelo de simulação para o sistema de carregamento e transporte em mina a céu aberto / Johanna Mirelle Gómez Quevedo ; orientador: Madiagne Diallo f. : il. (color.) ; 30 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Industrial) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Inclui bibliografia 1. Engenharia industrial Teses. 2. Simulação. 3. Despacho de caminhões. 4. Minas a céu aberto. I. Diallo, Madiagne. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Industrial. III. Título. CDD: 658.5

4 4 À minha família, com amor, gratidão pela compreensão e apoio ao longo do período de elaboração deste trabalho.

5 5 Agradecimentos Ao meu Orientador, Madiagne Diallo, e ao meu coorientador, Leonardo Lustosa, pelo apoio, atenção e conhecimentos transmitidos para o processo de elaboração desta dissertação. À minha família, pela compreensão, dedicação e apoio. À Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro e o Departamento de Engenharia Industrial, pela oportunidade de realização do curso do Mestrado. A todos os meus colegas de turma, especialmente Mayra Gómez, Alex Oviedo, César Vera, Augusto da Cunha Reis, Jin Wook, Rafael Ferraz, Daniela Quenaya, pela colaboração durante o Mestrado. A todos os profissionais da empresa Paragon, com os quais tive contato, pelo apoio e receptividade para o desenvolvimento deste trabalho. À CAPES, pela ajuda financeira concedida durante o curso.

6 6 Resumo Quevedo, Johanna Mirelle Gómez; Diallo, Madiagne. Modelo de simulação para o processo de carregamento e transporte em mina a céu aberto. Rio de Janeiro, Agosto p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Industrial, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Esta dissertação focaliza o estudo de um sistema de carregamento e transporte de uma mina a céu aberto, usando um modelo de simulação em computador. O principal objetivo do estudo foi aprimorar o projeto desse sistema para uma mina de médio porte ainda em projeto. Por meio desse estudo foi possível avaliar a capacidade do sistema, permitindo analises dos efeitos de alguns fatores como regras heurísticas de despacho de caminhões, numero de caminhões e equipamentos de carregamento em operação, bem como políticas e regras de operação para atingir as metas de produção. Para isso, um modelo de simulação foi desenvolvido para uso como ferramenta de planejamento para estimar o desempenho esperado da produção levando em conta os parâmetros mais representativos da operação de mineração. Cuidado metodológico na validação do modelo e no controle do experimento simulado garantem a qualidade dos resultados. Uma aplicação expedita de um modelo de filas foi também executada para comparar algumas estatísticas de desempenho. Para a análise foram selecionados indicadores de maior importância para projeto, tais como total de minério e estéril manipulado, taxas de utilização e eficiência dos equipamentos. Palavras-chave Despacho de caminhões; minas a céu aberto; simulação.

7 7 Abstract Gómez, Johanna Mirelle Quevedo; Diallo, Madiagne (Advisor). A simulation model for truck loading and hauling system in open pit mining. Rio de Janeiro, p. M. Sc. Dissertation Departamento de Engenharia Industrial, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. This dissertation focuses on a study of the loading and hauling system of an open pit mine, using a computer simulation model. The main goal of the study was to enhance the design of this system for a medium size mine still in the process of design. Through this study it was possible assess the capacity of the system, allowing analyzes of the effects of some factors such as heuristic truck dispatching rules, the number of trucks and shovels in operation, as well as policies and operating rules to achieve the production targets. For this purpose a simulation model was developed to be used as a planning tool to estimate the expected production performance taking into account the most representative parameters of the mining operation. Methodological care in model validation and in simulation experiment control assures the quality of the results. A hasty application of a queuing model was also performed for comparing some performance statistics. For the analysis were selected indicators of greater importance for design such as total of ore and sterile handled, usage rate, and efficiency of the equipments. Keywords Truck dispatching; open pit mining; simulation.

8 8 Sumário 1 Introdução Motivação da pesquisa e escolha do tema Objetivo Organização do texto 18 2 Revisão Bibliográfica Simulação Simulação nas indústrias minerais Aplicação de métodos heurísticos para simular o sistema de despacho Minimizar os requerimentos de produção das carregadeiras (MSPR) Minimizar os tempos de espera dos caminhões (MSPR) Minimizar os tempos de espera das carregadeiras (MSWT) Minimizar os tempos de ciclo dos caminhões (MTCT) Minimizar a saturação do equipamento de carga (MSC) Carregadeira que fez o carregamento primeiro (ELS) Maior tempo de espera (LWS) 35 3 Método de pesquisa Construção do Modelo Justificando a simulação Classificação do tipo de modelo de simulação Método de condução do Modelo de Simulação Ferramenta computacional de simulação adotada Estudo de caso Coleta de dados Processamento Limitações do modelo 45 4 Descrição do processo de lavra em minas a céu aberto 46

9 Introdução ao processo de lavra em minas a céu aberto Projeto de lavra de uma mina a céu aberto Projeto de lavra de longo prazo Projeto de lavra de médio e curto prazo Processo de Carregamento e Transporte Identificação do problema objeto da pesquisa Descrição do sistema utilizado para construção do modelo de simulação Funcionamento geral na mineração em estudo Características dos equipamentos Características do sistema Atividades dos equipamentos 62 5 Descrição do modelo de simulação Diagrama dos processos do sistema Estrutura do modelo Processo de carregamento Processo de descarregamento Processos operacionais Análise e tratamento de dados para a simulação Coleta de dados Distribuição de probabilidade e testes de aderência Problemas de variabilidade e validação do modelo Problemas de variabilidade Condições sob as quais foram rodados os modelos Condições iniciais, período de aquecimento (Warm-Up) e regime permanente (Steady-State) Determinação do tamanho do período de simulação Verificação e validação do modelo de simulação 86 6 Resultados da simulação Análise da capacidade produtiva do sistema Planejamento de lavra Análise da frota de equipamentos Cenário 1 95

10 Cenário Cenário Análise de melhorias no sistema através do Modelo de Reparação de Máquina Aplicação do Modelo de Reparação de Máquina para o cenário base Aplicação do Modelo de Reparação de Máquina para o resto de configurações Conclusões e considerações finais Referências Bibliográficas Apêndices 122 Apendice I Diagrama do ciclo de atividades 122 Apêndice II Dados de entrada 125 Apêndice III Indicadores de desempenho 130 Apêndice IV Layout da Mina Virtual 132 Apêndice V Aplicação do Modelo de Reparação de Máquina 133

11 11 Lista de tabelas Tabela 1: Aplicações de simulação em operações logísticas complexas 20 Tabela 2: Aplicações em sistemas de distribuição e transporte 21 Tabela 3: Modelos de simulação do sistema de despacho 31 Tabela 3: Modelos de simulação do sistema de despacho (Continuação) 32 Tabela 4: Parâmetros a serem considerados para as escavadeiras 58 Tabela 5: Parâmetros a serem considerados para as pás carregadeiras 59 Tabela 6: Parâmetros a serem considerados para os caminhões 60 Tabela 7: Parâmetros a serem considerados para o britador 61 Tabela 8: Características das frentes de lavra 62 Tabela 9: Distâncias entre os pontos de carga e descarga 62 Tabela 10: Atrasos operacionais no modelo de simulação 63 Tabela 11: Variáveis de entrada do modelo de simulação 76 Tabela 11: Variáveis de entrada do modelo de simulação (Continuação) 77 Tabela 12: Distribuições das variáveis de entrada 80 Tabela 12: Distribuições das variáveis de entrada (Continuação) 81 Tabela 13: Distribuição teórica para as variáveis em estudo 82 Tabela 14: Determinação da precisão dos parâmetros de desempenho globais 86 Tabela 15: Validação dos resultados do modelo, as médias estão dentro do intervalo de confiança de 95% 88 Tabela 16: Movimentação total de material mensal na mina 89 Tabela 17: Indicadores das pás carregadeiras 91 Tabela 18: Indicadores das escavadeiras 91 Tabela 19: Indicadores do britador 91 Tabela 20: Indicadores dos caminhões 92 Tabela 21: Analogia entre o Processo de carregamento e transporte e o Modelo de Reparação de Máquina 106 Tabela 22: Fórmulas matemáticas empregadas no Modelo de Reparação de Máquina 108 Tabela 23: Parâmetros de entrada para o Modelo de Reparação de Máquina 109 Tabela 24: Taxas de chegada e de serviço por hora para os equipamentos 109

12 12 Tabela 25: Valores atribuídos às variáveis K e R 109 Tabela 26: Probabilidade para os diferentes estados da configuração M =22, R (Equipamentos de carga) =4 110 Tabela 27: Tabela de indicadores de serviço para o processo de carregamento e transporte 111 Tabela 28: Resultados do sistema de filas nas carregadeiras 113 Tabela 29: Resultados do sistema de filas com 2 britadores 114

13 13 Lista de figuras Figura 1: Custo estimado por fase de mineração 16 Figura 2: Aplicações de Pesquisa Operacional na Mineração 22 Figura 3: Adequação de diferentes técnicas de modelagem em relação à variabilidade e complexidade do modelo 38 Figura 4: Classificação do modelo de simulação 39 Figura 5: Passos num estudo de simulação 40 Figura 6: Ilustração de um centro de mineração a céu aberto 48 Figura 7: Diagrama do Sistema de Despacho 52 Figura 8: Diagrama do processo de Carregamento e Transporte 54 Figura 9: Escavadeira Komatsu PC Figura 10: Pá carregadeira 59 Figura 11: Caminhão fora da estrada 60 Figura 12: Caminhões descarregando material no britador 61 Figura 13: Elementos básicos de um DCA 65 Figura 14: Diagrama do ciclo de atividades do sistema 67 Figura 15: Estrutura modular do modelo de simulação 68 Figura 16: Processo de carregamento dos caminhões no modelo de simulação 71 Figura 17: Processo de descarregamento dos caminhões no modelo de simulação 73 Figura 18: Evolução da taxa de utilização dos equipamentos de carga e britador 84 Figura 19: Uso de valores determinísticos para verificação do modelo de simulação 87 Figura 20: Produção (t/h) por carregadeira para cada um dos cenários simulados 94 Figura 21: Produção (t/h) por caminhão, para cada um dos cenários simulados 94 Figura 22: Movimentação total de material - Cenário 1 96 Figura 23: Taxa de utilização das carregadeiras - Cenário 1 97 Figura 24: Tempo médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário 1 98 Figura 25: Número médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário 1 98

14 14 Figura 26: Produção dos caminhões - Cenário 1 99 Figura 27: Movimentação total de material - Cenário Figura 28: Taxa de utilização das carregadeiras - Cenário Figura 29: Tempo médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário Figura 30: Número médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário Figura 31: Movimentação total de material - Cenário Figura 32: Taxa de utilização das carregadeiras - Cenário Figura 33: Tempo médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário Figura 34: Número médio em fila dos caminhões nas carregadeiras - Cenário Figura 35: Taxa de utilização das carregadeiras para cada um dos cenários simulados 105 Figura 36: Curva de produção variando o tamanho da frota de caminhões 112 Figura 37: Resultados do sistema de filas para 1 e 2 Britadores 114 Figura API. 1 - Ciclo da entidade caminhão 122 Figura API. 2 Ciclo da entidade carregadeira 123 Figura API. 3 Ciclo da entidade britador 123 Figura API. 4 Representação do bloqueio da entidade carregadeira 124 Figura API. 5 Layout da Mina Virtual 132