PPGEM MIN 746 Lavra Subterrânea Prof. José Margarida da Silva 2010
Métodos de Lavra Subterrânea POR QUE LAVRA SUBTERRÂNEA? Profundidade do depósito*; Quantidade de material a ser retirado para alcançar o minério; Jazidas aflorantes vão se tornando escassas; Restrições ambientais à lavra a céu aberto; Aumento do conhecimento do comportamento de maciços rochosos. * Torres e Diniz da Gama (2005): minas pouco profundas ou rasas (até 850m) e profundas (a partir de 850m). Dessureault (2004): se existe perspectiva de mais de 150m de profundidade, admite-se a hipótese de mina subterrânea. 2
Custos e decisão de lavra Cam custo minério; R REM; Cse custo retirada estéril; Cs custo subsolo.
MINA A CÉU ABERTO E SUBTERRÂNEA Arranjo de uma mina com transição céu aberto para subterrânea. Fazenda Brasileiro, Jerrit Canyon, Jouac, Kamoto, Loolekop, Kittila, Mount Isa, Turmalina, Pyhasalmi, Raglan, Vazante,... Fases da mineração
Operações e equipamentos Lavra convencional (cíclica) - explosivos: perfuração, carregamento e detonação, remoção dos gases, limpeza da frente; Lavra contínua - equipamentos que desagregam rocha por escarificação; Sistema misto - comum para carvão, corte para face livre executado por máquina de corte (rafadeira) e execução de furos para desmonte por explosivo; Decisão: aspectos técnicos e econômicos. Economia, segurança, mínimo de perturbação ambiental 5
Rocha dura: pequena escala Perfuração manual Carregamento: carregadeiras tipo LHD (load, haul and dump) com capacidade de 0,4 m 3 até 4 m 3 ou de descarga traseira. Transporte: caminhões de 7 t a 15 t, dependendo do tamanho das vias; trens, especialmente composições com vagões tipo gramby car com 4 t a 8 t de capacidade, sendo usados 8 a 12 vagões por trem; trem caindo em desuso (menor flexibilidade, baixa produtividade).
Rocha dura: média escala Perfuração mecanizada Carregamento: carregadeiras LHD com capacidade entre 4,5 m 3 e 7 m 3. Transporte: caminhões de 20 t a 30 t.
Rocha dura: grande escala Perfuração mecanizada jumbos Carregamento: carregadeiras LHD com capacidade entre 9 m 3 e 11 m 3. Transporte: caminhões de 40 t a 80 t (em teste 90t).
Rocha mole Desmonte contínuo Carregamento: mineradores contínuos ou cortadeiras para desmonte e/ou carregamento. Transporte: Carros transportadores (shuttle cars) e correias transportadoras; às vezes utilizam-se mineradores contínuos ou combinação com carregadeiras LHD e caminhões.
LAVRA SUBTERRÂNEA Abandono de pilares Princípios fundamentais Desmonte com o avanço de aberturas paralelas. Deixam-se porções do minério para formar pilares, de dimensões e formas adequadas. Pilares limitam os vãos das aberturas e promovem a sustentação do teto. 10
Princípios fundamentais Enchimento Minério In situ Enchimento Sentido de avanço da frente Planta Material útil vai sendo extraído; vazio formado é preenchido com outro material para sustentação do teto; Desmonte da face é integral; frente se desloca, sendo acompanhada pelo enchimento; Teto na frente de trabalho normalmente sustentado para evitar queda de blocos ("chocos"). 11
Princípios fundamentais Abatimento controlado do teto A B Com avanço da frente de lavra, provoca-se seu desabamento, a uma distância controlada, dissipando-se parte da energia armazenada. A rocha desabada empola, o que inibe a propagação do abatimento. Blocos começam a exercer reações apreciáveis sobre o teto, favorecendo sua sustentação. 12
Classificação de Métodos Métodos de lavra subterrânea Métodos sem suporte artificial Suportados Abatimento Room-andpillar Sublevel and longhole open stoping Longwall mining Sublevel caving Block caving Cut-and-fill stoping Shrink stoping VCR Stoping Deslocamentos Energia armazenada (Brady e Brown, 2004)
Classificação de corpos de minério Minério desmontado desce por gravidade até galeria de transporte; Inclinação a partir da qual começa a ocorrer rolamento do minério desmontado depende das dimensões dos blocos e da regularidade do piso; fica entre 45 e 50 ; Escavações devem ter inclinação superior ao ângulo de repouso do minério fragmentado. Corpos de mergulho acentuado 14
Classificação de corpos de minério Equipamentos chegam até as pilhas de minério desmontado nas frentes de lavra; Máxima inclinação varia com tipo e porte do equipamento, mas habitualmente fica entre 8 e 11 (15 a 20%); Além desses limites pode ainda ser exeqüível, com o desmonte conduzido segundo retas de menor declividade ou horizontais de mesmo plano do corpo. Corpos horizontais e subhorizontais 15
Classificação de corpos de minério Inclinação excede limites de trafegabilidade ( gradeability ) de equipamentos, mas não é suficiente para que ocorra escoamento do minério desmontado, sob ação da gravidade, das frentes de lavra até galeria de transporte; Minério precisa ser arrastado até locais de carregamento. Corpos de mergulho suave 16
Alargamento em subníveis (sublevel stoping) Passagem de pessoal Ponto de carregamento Galeria de transporte Travessas de carregamento 17
Alargamento em subníveis Perfuração mecanizada: em leque ou paralela. Carregamento: LHD, descarga traseira, carregadeira frontal, chutes. Transporte: Caminhões convencionais ou rebaixados, correias; Preferência para equipamentos de maior porte. Caminhão (Mina Santa Helena, Brasil) 18
Alargamento em subníveis - análise Fácil ventilação; Pequena exposição; Pequena necessidade de suporte; Recuperação pode alcançar 75%; Diluição de 20%; Não seletivo; Furos longos requerem cuidadoso alinhamento (desvio menor que 2%). 19
Lavra por corte e enchimento (cut and fill) mining) Capa Realce Passagem de minério Enchimento Lapa 20
Por corte e enchimento Minério é completamente removido. Material de enchimento suporta as paredes e fornece piso para a lavra da próxima fatia de minério; Enchimento - Rockfill, backfill, sandfill, pastefill; Resistência das encaixantes: fraca; Forma da jazida: variada - pode ser irregular, descontínua; Teor alto; Forte mergulho, mas adaptável. 21
Corte e enchimento (Aterro) Perfuração mecanizada CARREGAMENTO LHD com capacidade 0,4m 3 (elétricas), até 3m 3, raramente maiores; rastelo. TRANSPORTE Caminhões ou trens com vagões de pequeno porte. 22
Corte e enchimento - Análise Alta mecanização; Boa seletividade; Alta recuperação de minério (90 a 100%); Baixa diluição; Baixo custo de desenvolvimento; Versátil; Estéril e rejeito podem ser distribuídos no subsolo. 23
Abatimento em subníveis (Sublevel caving) Zona abatida Lavra: desmonte e carregamento Perfuração Passagem de minério Desenvolvimento Nível principal de transporte
Abatimento em subníveis Perfuração mecanizada; Carregamento e transporte: LHD s controle remoto, caminhões 22t, vagões 35 a 40t. Lavra descendente, furação longa ascendente; Minério desmontado despejado em passagens, deixando-se a capa deformar-se e abater-se; Fluxo de material fragmentado grosseiro: fator mais importante no método; Produção superior a 50.000t/dia; Investimento inicial de centenas de milhões de dólares. Mina de Kiruna, Suécia 25
Abatimento em subníveis análise Requisitos rígidos; Melhores índices de segurança e de saúde; Alta recuperação (80 a 90%); Independência das operações; Diluição inevitável (10 a 35%); Perdas de minério entre a detonação de um leque e outro (10 a 20%); Subsidência. 26
Block Caving Preparação do solapamento ramificações subnível com grelha Nível principal Nível de transporte
Abatimento em blocos Blocos solapados para induzir abatimento; Minério e rocha encaixante são abatidos; Alta produtividade, altas escalas de produção; Baixo custo de lavra (custo relativo de 20%); Diluição: 10 a 20%, recuperação até 100%; Operações padronizadas, boa supervisão; bons índices saúde e segurança; Subsidência pode ser em grande escala, controle de fluxo crítico; Grande tempo de desenvolvimento para blocos (cerca de 1000m 2), se desmonte sem explosivo. 28
Método por câmaras e pilares (room and pillar mining) Perfuração vertical Pilar Perfuração frontal 29
Câmaras e pilares Perfuração mecanizada (frontal, descendente ou ascendente): Minerador contínuo substitui perfuração e detonação Marietta: capacidade 10mil t/dia. Carregamento: LHD a diesel ou elétricas de 0,75 Painel a anterior 11 m 3. Transporte: Nos realces, por shuttle cars descarregando em correias ou por vias abertas na lapa para este fim através de caminhões ou trens; Caminhões rebaixados e articulados 15 a 50 t. Novo painel Entradas múltiplas 30
Carregadeira rebaixada LHD Load, haul, dump Transporte até 250, 300m 31
Caminhão e carregadeira Caminhão rebaixado Caminhão e carregadeira 32
Rastelo Minério fragmentado Minério in situ 33
(RDM, manganês, Brasil) Morro do Urucum Desenvolvimento: poço raso e túnel na lapa; Lavra adicional no teto, devido à baixa potência; 3 horizontes diferenciados de ataque ; subdivisão do corpo de minério em 3 faixas sub-horizontais, painel de 800mx800m, com distância lateral de 400m, de acordo com condição geomecânica da rocha (encaixante: arcósio). Definição se deveu à grande área e contribuiu para melhor adequação às metodologias de lavra, às operações de ventilação e transporte do minério.
Câmaras e pilares - carvão Acidente: final anos 80; Exigências do DNPM para F.S.=1.8; Baixa recuperação da lavra; Desconhecimento do comportamento geomecânico da Camada Bonito; Necessidade de novas metodologias para dimensionamento de pilares. 35
Mina Taquari - Vassouras Lavra entre 430 e 640m profundidade; Desmonte por mineradores contínuos; Carregamento por shuttle cars; Transporte por correias (7 km); Produção de cloreto de potássio; Capacidade ampliada de 645 mil t/ano para 850 mil t/ano. 36
Câmaras e pilares Galerias interligadas por travessas perpendiculares ao corpo de minério; Número de aberturas que atenda à vazão de pessoal, equipamentos, ventilação; Lavra convencional (cíclica, regular) ou contínua; Recuperação - 20 a 60%, Diluição - 0 a 5%. Método se presta bem à mecanização; Mina pode ser retomada, com enchimento ou abatimento; À medida da profundidade, rivaliza com outros métodos (lavra frontal veios estreitos, acima de 1.050m lavra por solução); Reutilização das aberturas depende de planejamento prévio. 37
Minerador contínuo 38
Fan Drill Simba 39
Robô para projeção de concreto 40
Lavra por frente longa (longwall) - planta Área abatida Ventilação Entrada de ar carvão 41
Lavra por frente longa (longwall) Lavra integral, desmonte em face contínua, abrangendo toda a extensão; Com ou sem abatimento; Galerias de transporte (duplas ou triplas), próximas, cerca de 100m de comprimento, para material e pessoal; Subida face livre para iniciar desmonte; Arranjo longitudinal (corpos de pequena espessura); Arranjo transversal (espessura a partir de 30m); Exige rigoroso controle do contato. 42
Lavra por frente longa (longwall) Lavra em avanço (menor desenvolvimento prévio) ou em recuo (entradas simples usadas apenas por um painel, mais barata, mais rápida, requer menos mão de obra); Grande produtividade (maior em subsolo); Grande recuperação na lavra; Custo de manutenção elevado (tempo de transferência de equipamentos de um painel para outro); Alto custo de investimento ou de capital. 43
Cortadeira e suporte auto-marchante 44
Lavra por frente longa (longwall) 80%: desmonte com mineradores contínuos; Carregamento: Transportadores de correntes que operam junto à face. Transporte: Correias transportadoras ou carros (shuttle cars) dispostos nas travessas. 45
Carro transportador (Shuttle car) 46
Lavra por frente longa (longwall) 47
Longwall Western Deep Level Gold Mine, South Africa; Gordonstone Coal Mine, Queensland, Australia; Appin Colliery Coal Mine, New South Wales, Australia; Southern Coalfield Mine, New South Wales, Australia; South Africa Gold Mine; Lavra experimental, Mina do Leão, Brasil; Mimosa (México) carvão, Wyoming Trona ouro e potássio (África do Sul); Impala platina (África do Sul): suportes de madeira, transporte na frente: rastelo, água..
Produtividade e custo de lavra MÉTODO DE LAVRA PRODUTIVIDADE (t/homem X turno) CUSTO UNITÁRIO (US$/t) Céu aberto 26-15 Câmaras e pilares 27-73 11 33 Alargamentos abertos 27 45 9 33 Por recalque 4 15 17 44 Por subníveis 14 50 13 39 Corte e enchimento 9 40 17 55 Longwall 63 163 6 28 Abatimento em subníveis 15 40 13 44 Abatimento em blocos 14-50 6-22 49
Mecanização e automação Automação: chave para segurança e produtividade na mineração. Operações de mineração subterrânea em processos de produção muito profundos, de acesso extremamente difícil ou com alto grau de periculosidade tornam a automação e os equipamentos de operação autônoma escolhas óbvias. Objetivos aumentar a segurança, reduzir o trabalho manual repetitivo, aumentar a eficiência e a produtividade geral. Jumbos: adaptados e implementados - rockbolters colocação de parafusos de ancoragem e scalers abatimento de chocos ou raise climbers plataformas elevatórias;
Mecanização e automação - tendências trackless mining vagões: alta produção; Minas novas, situadas em áreas remotas, não são as mais atrativas para recrutar pessoas com melhores qualificações. Para explorar essas jazidas de forma rentável, a automação não será apenas uma opção será a única opção." Equipamentos auxiliares: robôs para concreto projetado, suportes deslocados por controle remoto, carregadores de explosivos, ventiladores, bombas de drenagem, Veículos auxiliares de iluminação etc.
Mecanização e automação Retirada mecânica de chocos geralmente oferece ao trabalhador maior proteção. Operador remove a rocha solta, enquanto fica posicionado em cabine de proteção e a maior distância que na retirada manual. Em 2002, cerca de 25% das minas brasileiras já usavam scaler (perfuratriz adaptada para o batimento mecanizado de chocos). Equipamento híbrido de barra convencional de abatimento de chocos e rompedor hidráulico. CMS Caving Monitoring System - laser desenha cavidade a distância.
Mecanização e automação sistemas computadorizados de controle e orientação em grandes equipamentos de perfuração subterrânea e carregadeiras; nova carregadeira LHD reduz esforço físico do operador, aproveitando da melhor maneira a potência. Caçamba penetra nos detritos com mais facilidade e rapidez, permitindo aumento do número de cargas por turno. Benefícios em termos de produtividade e segurança derivados dos sistemas de controle; Tendência de uso de CLPs controladores lógicos programáveis;
Mecanização e automação Instalação de parafusos controlada a distância Utilização de equipamento de instalação de cabos Brasil e Finlândia, Chile, entre outros. Mina de Cuiabá (MG) corte e enchimento Conjugação em um equipamento de funções realizadas por 3 máquinas elevou em 18% velocidade de instalação de cabos. O equipamento apresenta disponibilidade de 89%, com 20 a 25 mil m de suporte realizado. Kemi Mine, na Finlândia Equipamento tem carrossel para 17 hastes, velocidade de instalação superior a 40m/h, em furos de 51mm de diâmetro, 20 ou 25m de comprimento. Também na Mina Michilla, no Chile.
Mecanização e automação sistemas automáticos de troca de bits, sistemas automáticos de abertura de túneis; Measure While Drilling, sistema de registro de características de estratos de rochas que usa a perfuratriz como sensor enquanto faz os furos. Os dados registrados são, em seguida, transferidos para um PC para uma análise mais detalhada, sendo possível fazer uma previsão da interpretação das características geológicas. Tendências cooperação empresas/fabricantes; minas-escola; utilização de tecnologia que forneça uma visualização prévia da realidade.
Mecanização e automação Estudo de Caso Mina Finsch (África do Sul) diamante - Abatimento em blocos Sistema AutoMine caminhões autônomos trafegam no ciclo de transporte entre os pontos de carregamento e o britador primário, localizado próximo ao sistema de içamento do poço vertical. Eletrônica embarcada, comunicação sem fio. Benefícios Aumenta utilização de equipamentos, maiores velocidades de transporte aumentaram a produção; Maior estabilidade de escavações, redução do risco de dano ao trabalhador.
Mina Finsch África do Sul diamante Manuseio de minério tem CMS planejamento das atividades do dia, divisão nos turnos de trabalho, dando orientações para LHDs. Registro de todos os movimentos do equipamento. Fornece informações para outros sistemas de controle: PCS Production Control System; MCS Mission Control System. Da sala de controle na superfície, o operador controla caminhões e LHDs.
Futuro Mina automática? Caminhões baixa/alta capacidade? Britagem/usina dentro da mina subterrânea: Andina (Chile); Baltar (Brasil); Kidd Creek, Otjihase (Canadá); Central Rand Gold, projeto de Efemçukuru (África do Sul). Minas fechadas: visitação, enchimento, armazenamento
Avanços no processo de extração Minería Actual Minería de Transición LHD ORE PASS Minería Continua
Tatiya, 2005: mina subterrânea do futuro será controlada de uma sala. SANDVIK, 2008: um operador para vários equipamentos (LHD s ou caminhões). Índia: Qual o limite? Tendências
Referências Bibliográficas Brady, B. H. G.; Brown, E. T. Rock Mechanics for Underground Mining. 2006. Cummins, A. B; Given, I. A. 1992. Mining Engineering Handbook. AIME. Dessureault et al. Application of computers and operations research in the mineral industry. Balkema. 2004. Gerstch, R. E.; Bullock, R. L. Techniques in Underground Mining. SME, Littleton, USA. 1998. Hartman, H. L; Mutmansky, J. M. 2002. Introductory Mining Engineering. John Wiley. Hustrulid, W. A.; Bullock, R. L. 2001. Underground Mining Methods. SME. Tatiya, R. R. Surface and Underground Excavations, p. 152-154. 2005. Urbina, F. P. O. Fundamentos de Laboreo de Minas. FGP. Madri. 1994. Lisboa, F. M. Mineração uma experiência vivida. 2009. Periódicos: Brasil Mineral; In the Mine; Revista Escola de Minas (REM); CIM Bulletin; Engineering & Mining Journal/ World Mining Equipment; Minérios & Minerales; Mining and Annual Review; Mining Engineering; Mining Magazine; World Tunnelling; Mining Perspectives for both worlds. P&H. 61