Análise da Estabilidade de Sitemas de Disposição Compartilhada de s e Estéreis em Cavas Exauridas de Minas Aureliano Robson Corgozinho Alves Solosconsult Engenharia, Belo Horizonte, Brasil, aureliano.alves@solosconsult.com.br Luís Fernando Martins Ribeiro Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, lmartins@unb.br Terezinha de Jesus Espósito Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, esposito@etg.ufmg.br RESUMO: As empresas de mineração brasileiras vêm utilizando técnicas para contenção de estéreis e rejeitos de mineração que consistem na disposição dos estéreis em pilhas e na implantação de grandes estruturas na forma de barragens ou pilhas drenantes para a disposição dos rejeitos. Entretanto, com o crescente aumento da produção mineral, consequentemente da geração desses resíduos, aumentaram também as dificuldades decorrentes para a sua disposição, surgindo, então, a necessidade de novas metodologias que ofereçam segurança e economia, além da possibilidade de reaproveitamento de áreas já degradadas. Dessa forma, a proposta de uma disposição compartilhada de estéreis e rejeitos em cavas exauridas de minas se apresenta como uma alternativa de aliar as necessidades de disposição desses resíduos às demandas ambientais. Nesse sentido, esse artigo tem como objetivo apresentar resultados das análises de estabilidade, com sua probabilidade de falha, de sistemas de disposição compartilhada de estéreis e rejeitos depositados numa cava exaurida de mina. Para realização destas análises utilizou-se o software Slope/W do pacote Geo-Studio. Os resultados indicaram a viabilidade da disposição compartilhada do estéril e do rejeito, tanto para a situação de fechamento e/ou desativação quanto para a situação de operação, visto que os fatores de segurança encontrados estão dentro da faixa adotada na engenharia geotécnica. Estes resultados, também contribuiram para um melhor entendimento do comportamento geotécnico dessas estruturas. PALAVRAS-CHAVE: Estéril,, Minério de Ferro, Disposição Compartilhada, Cava Exaurida, Estabilidade de Taludes. 1 INTRODUÇÃO A Indústria Extrativa Mineral brasileira é bastante diversificada e segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM, 2007), há pelo menos minerais sendo explorados no Brasil, cada qual com uma dinâmica de mercado específica. Sabe-se que a mineração foi historicamente relevante como fator de atração de contingentes populacionais para a ocupação do interior do território brasileiro e, ainda hoje, é um vetor importante para o desenvolvimento regional, dada a rigidez locacional que a caracteriza, pois, não se pode mudar o lugar que a natureza escolheu para as jazidas e seu impacto econômico cresce na medida em que são identificadas minas em regiões de baixa densidade demográfica, com atividades produtivas pouco diversificadas. O empreendimento mineral, ao contrário do que o senso comum faz parecer, é intensivo em capital e demandante de mão-de-obra altamente qualificada. Não raramente, esta tem que ser treinada/formada pela própria empresa de mineração contratante, o que significa para ela internalizar custos de capacitação. As atividades de mineração, em desenvolvimento intenso e crescente, têm propiciado um aumento expressivo na geração 1
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. 2010 ABMS. imagem negativa da empresa, responsabilidade legal e publicidade negativa instantânea. A Figura 1 apresenta alguns incidentes geotécnicos ocorridos por década na mineração mundial no período de 1928 a 2008. de resíduos (estéreis e rejeitos), ocasionando uma necessidade de maiores áreas para estocagem e/ou contenção destes resíduos. Portanto, a enorme demanda por locais para dispor estes resíduos esbarra cada vez mais nas leis ambientais que a cada dia ficam mais restritivas. Com todo esse cenário surge a necessidade de novas metodologias para disposição de rejeitos e estéreis que ofereçam maior segurança e economia, além da possibilidade de reaproveitamento de áreas já degradadas como cavas exauridas de minas, remanescentes da extração de minério. 1.1 Contexto Geral Figura 1. Total de incidentes por década (Alves, 2009) No Brasil, as técnicas comumente adotadas para contenção de estéreis e rejeitos de mineração consistem na disposição do estéril em pilhas e na implantação de grandes estruturas na forma de barragens ou diques para disposição do rejeito. Segundo Wickland & Wilson (200), pilhas de estéril são porosas e permitem o fluxo livre de oxigênio na superfície exposta da rocha fresca, promovendo, quando estas estão associadas a sulfetos, geração de drenagem ácida. Esta propriedade em escala global representa um problema que demanda muitos bilhões de dólares para coleta e tratamento dos efluentes ácidos. Em contrapartida, quando o fluxo no interior dos aterros não está associado ao transporte de contaminantes, o principal problema ocorre com a estabilidade do mesmo, pois as características hidráulicas são propriedades difíceis de serem estimadas para materiais com grande variabilidade das propriedades físicas e químicas como os estéreis. Já a disposição de rejeitos utilizando os métodos convencionais representa uma preocupação constante, pois, pela alta porosidade e saturação, tendem a apresentar susceptibilidade à liquefação. Rice em 2002, citado por Gama (2006), mostra que o rompimento de uma barragem de rejeitos pode significar entre outros efeitos: perda de vidas humanas, dano ambiental severo, impacto direto nos custos de produção da usina, Observa-se na Figura 1 que até 1988 o total de incidentes no mundo seguia uma tendência crescente ( ), porém, a partir daí a tendência passou a ser decrescente ( ). Isto pode ser explicado por um maior controle dos projetistas e das empresas ou uma menor divulgação dos incidentes ocorridos neste período. No entanto, contrário a esta tendência está o Brasil, pois o que se observa nos últimos anos é um aumento expressivo do número de incidentes, como pode ser observado na Figura 1. Portanto, visando prevenir estes incidentes, um método alternativo para disposição de estéril e rejeito vem sendo estudado desde 1978, apresentando-se como uma nova alternativa de disposição onde a principal mudança em relação ao método convencional é que, ao invés de dispor os materiais separados, faz-se a mistura do rejeito com o estéril para em seguida dispor os dois misturados ou dispõe os dois no mesmo local sem misturar previamente, surgindo assim a proposta da disposição compartilhada, que pode vir a controlar grandes problemas como a drenagem ácida, a instabilidade e a liquefação. 1.2 Objetivo Esse artigo tem como objetivo apresentar resultados das análises de estabilidade, com sua probabilidade de falha, de sistemas de disposição compartilhada de estéreis e rejeitos depositados numa cava exaurida de mina, 2
porém, sem estarem previamente misturados. Nesse sentido, propõe-se averiguar a implantação desse método alternativo de disposição que apresenta segurança e melhor aproveitamento do espaço disponível para descarte de resíduos. A metodologia foi testada utilizando como estudo de caso a Cava da Mina do Cauê da Empresa Vale e espera-se que os procedimentos de análise possam ser aplicados não só neste estudo, mas que a alternativa de disposição desses materiais possa ser generalizada para outras situações. 2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DA ÁREA DE ESTUDO A Cava da Mina do Cauê está inserida na região do Quadrilátero Ferrífero e faz parte do Complexo Minerador de Itabira que é explorado pela Empresa Vale. Segundo Vale (2002) e RDIZ (2008), o relevo da região, a exemplo de grande parte do Quadrilátero Ferrífero, apresenta-se bastante acidentado e montanhoso, tendo como feição mais relevante a Serra de Itabiruçu. Seus pontos mais destacados eram os picos do Cauê, Dois Córregos e Conceição, associados a grandes espessuras de minério de ferro, com altitudes máximas, antes da atividade minerária, de quase 1.400 m. As porções mais baixas, com cotas variando de 700 a 90 m, entre as quais se desenvolveu a cidade de Itabira, constituem domínios de rochas gnáissicas. A Mina do Cauê está localizada na extremidade norte do Distrito Ferrífero de Itabira, na porção nordeste do Quadrilátero Ferrífero. De acordo com Geoconsultoria (2002), a Mina do Cauê foi lavrada com bancos de 1 m de altura e, próximo da exaustão mostrou um desnível máximo de cerca de 0 m, com cota mais baixa igual a 700 m, no lado leste, e cota mais alta de 124 m, no extremo oeste. 3 METODOLOGIA APLICADA NO ALTEAMENTO A metodologia apresentada a seguir representa a consolidação do conhecimento científico juntamente com a experiência prática aplicada nos estudos realizados por Vale (2002), SPEC (2004) e RDIZ (2008). Dessa forma, com base em informações coletadas junto à Vale e em estudos anteriormente realizados por outras empresas foram propostos alguns cenários considerando o lançamento de camadas de estéril e/ou enrocamento sobre o rejeito adensado. Estas propostas tiveram como premissa básica a possibilidade de aumentar o volume de estéril a ser depositado de forma compartilhada na cava exaurida da Mina do Cauê. Desse modo, analisando os aspectos mais relevantes no que tange a disposição compartilhada de rejeito e estéril na cava, podem-se estabelecer as interferências acerca do lançamento de rejeito na cava exaurida e a posterior disposição de estéril sobre este rejeito. A conjunção dos novos estudos, àqueles anteriormente feitos, permitiu ao final desse trabalho, a proposição e/ou adequação de diretrizes a serem seguidas para elevação da pilha de estéril, definindo sua viabilidade, vantagens técnicas e econômicas. Todas as etapas construtivas do depósito foram implantadas considerando a disposição ascendente, realizando lançamentos do material em camadas de altura máxima de m e inclinação de 1,0 (V): 2,0 (H), até ser atingida a altura final de 1 m prevista para cada banco individual. A berma deixada entre cada banco foi de 10 m. 4 ANÁLISE PROBABILÍSTICA As análises de estabilidade apresentadas a seguir consideraram a variabilidade de alguns parâmetros geotécnicos. Num estudo determinístico, a utilização de um parâmetro geotécnico único para o rejeito e/ou o estéril não reflete o comportamento variável desses materiais. Nesse caso, a abordagem probabilística é indicada por contemplar essa variabilidade, representando com eficiência o comportamento do rejeito e/ou estéril (Espósito, 2000). 3
Baseado nessas ponderações pode-se dizer que a utilização dos métodos probabilísticos permite analisar o comportamento de uma cava preenchida com estéril e rejeito, contemplando a variabilidade dos materiais que preenchem a estrutura, o que resulta em uma avaliação muito mais rigorosa. Dessa forma, os estudos realizados contemplando análises probabilísticas, fornecem subsídios para uma interpretação mais aproximada da condição real de campo. Antes de iniciar as simulações foi necessário calibrar o método que seria utlizado, portanto, com o objetivo de definir o número de iterações necessárias para a convergência do resultado, com a menor faixa de variação, foram feitas algumas simulações de estabilidade no Slope/W considerando o Método de Monte Carlo com valores escolhidos randomicamente dentro do intervalo fornecido nos dados de entrada. Comparando os resultados das simulações, (1.000, 10.000 e 100.000 iterações), realizadas para cada caso, concluiu-se que a menor variação aconteceu quando foram feitas 100.000 iterações, ou seja, a convergência dos resultados ficou evidenciada na pequena variação dos dados de saída. Portanto, o número de iterações utilizado nas simulações foi 100.000 iterações. ANÁLISES DE ESTABILIDADE A aplicação da metodologia proposta exigiu a determinação dos parâmetros geotécnicos dos materiais que seriam utilizados na disposição compartilhada. O conhecimento destes parâmetros permitiu detectar a variabilidade de cada material. Como os parâmetros utilizados foram obtidos a partir de vários relatórios, nem todos os materiais possuíam a mesma gama de dados, restringindo assim a análise probabilística à variação apenas dos dados do estéril. Adotou-se também uma geração de acréscimo da poropressão e o mesmo foi simulado através da variação do parâmetro r u. Este acréscimo da poropressão ocorreu no rejeito, no e na PDE - Estéril Novo (a partir do lançamento da camada 2 sobre a camada 1). Os valores utilizados foram baseados em ensaios realizados por SPEC (2004), SBC (200) e Presotti (2002). A Tabela 1 apresenta todos os parâmetros adotados nas análises de estabilidade. Tabela 1. Parâmetros adotados nas análises de estabilidade (Modificado - Alves, 2009) Parâmetros Geotécnicos Descrição Estéril PDE Aba Oeste (PDE Nova - 1 a 4) Estéril PDE Aba Oeste (PDE Projetada) Enchimento da Cava γ(kn/m 3 ) c (kpa) (média) 18 18 0 a 47 (1,7)* 0 a 47 (1,7)* Ø (0) (média) 19 a 3 (29,7)* 19 a 3 (29,7)* r u Modelo Análise (Slope/W) 0 e 0,4 Mohr-Coulomb 0 Mohr-Coulomb 22 0 32 0 e 0,2 Mohr-Coulomb 30 60 36 0 Mohr-Coulomb Sericita Xistos Aba Oeste () Xistos/Gnaisses (rocha sã) indivisos do Grupo Nova Lima (Xisto II) 19 20 20 0 e 0,4 Mohr-Coulomb 26 400 0 0 Mohr-Coulomb Enrocamento 22 0 4 0 Mohr-Coulomb * Indica parâmetros médios obtidos a partir de um estudo estatístico 6 RESULTADOS Na análise de estabilidade os critérios adotados comumente na engenharia consideram uma estrutura estável e segura quando o FS for maior que 1,3 para a fase de operação e FS maior que 1, para o fechamento e/ou desativação. E no caso da análise probabilística, a probabilidade de falha deve ser menor que 1/10.000, ou seja, 0,01%, podendo ser aceita, dependendo da situação, uma probabilidade de falha de 1/1.000, ou seja, 0,1%. Mas esta situação deve ser analisada com critério e quantificando os possíveis danos que podem ser causados caso a probabilidade de falha se confirme. A Figura 2 apresenta uma legenda com as cores correspondentes a cada material constituinte da seção analisada. PDE Estéril Novo 4 PDE Estéril Novo 3 PDE Estéril Novo 2 PDE Estéril Novo 1 PDE Estéril Projetado 4
1. 7 8 P D E - E s t é r il N o v o 1 R e je it o X is t o I I ( R o c h a s ã ) COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. 2010 ABMS. Xisto II (Rocha Sã) Figura 2. Legenda com as cores de cada material As Figuras 3 a 11 apresentam exemplos de resultados determinísticos e probabilísticos obtidos das simulações. Já as Tabelas 2 a 4 apresentam os resultados consolidados de todas as situações simuladas, contemplando o alteaento realizado camada a camada. 1.21 1.34 Elevação (m) (x 1000) 1.21 1.1 1.09 1.03 0.97 0.91 0.8 0.79 0.73 0.67 PDE - Estéril Projetado Seção A-B (m) (x 1000) 0.61 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1. 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2. 1.78 Figura 6. Lançamento da camada 1 Análise determinística na PDE - Estéril Novo (Alves, 2009) Elevação (m) (x 1000) 1.1 1.09 1.03 0.97 0.91 0.8 0.79 0.73 0.67 PDE - Estéril Projetado 1 Função Densidade de Probabilidade 0.61 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1. 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2. Seção A-B (m) (x 1000) Figura 3. Lançamento da camada 1 Análise determinística na PDE - Estéril Projetado (Alves, 2009) 1 Função Densidade de Probabilidade Frequência (%) 10 Frequência(%) 10 0 1.20 1.34 1.48 1.62 1.76 1.90 2.04 2.18 2.32 2.46 Fator de Segurança Figura 7. Lançamento da camada 1 - Análise probabilística do FS (Alves, 2009) 0 1.00 1.06 1.12 1.18 1.24 1.30 1.36 1.42 1.48 1.4 Fator de Segurança Figura 4. Lançamento da camada 1 - Análise probabilística do FS (Alves, 2009) FS méd 1,294 FS máx 1,107 FS mín 1,066 Prob. Falha (%) 0,0000 Índice de Confiança 3,3420 Desvio Padrão 0,0880 Total de iterações 100.000 Figura. Lançamento da camada 1 - Análise da probabilidade de falha (Alves, 2009) FS méd 1,8710 FS máx 2,4999 FS mín 1,3283 Prob. Falha (%) 0,0000 Índice de Confiança 4,0390 Desvio Padrão 0,2160 Total de iterações 100.000 Figura 8. Lançamento da camada 1 - Análise da probabilidade de falha (Alves, 2009) Elevação (m) (x 1000) 1.21 1.1 1.09 PDE - Estéril Novo 4 1.03 PDE - Estéril Novo 3 0.97 PDE - Estéril Novo 2 0.91 0.8 PDE - Estéril Projetado 0.79 0.73 0.67 0.61 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1. 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2. Seção A-B (m) (x 1000) Figura 9. Lançamento da camada 4 Análise determinística na PDE - Estéril Novo (Alves, 2009) 1.9
Frequência (%) 20 1 10 Função Densidade de Probabilidade Tabela 4 - Resultado das análises de estabilidade Situação com r u 0 (Alves, 2009) FS(Bishop) FSmédio Probabilidade Descrição Análise ru (Determinístico) (Probabilístico) de Falha (FS<1) enrocamento) Projetado 0 1,38 1,34 0 Camada 1 enrocamento) Enroca-mento 0 1,9 - - 0 1,61 1, 3/10.000 0 1,9 1,92 0 0 1,70 1,6 1/10.000 0 1,70 1,61 0 Camada 4 PDE Estéril 0 1,63 1,4 0 0 1.06 1.16 1.26 1.36 1.46 1.6 1.66 1.76 1.86 1.96 Fator de Segurança Figura 10. Lançamento da camada 4 - Análise probabilística do FS (Alves, 2009) FS méd 1,4996 FS máx 1,8967 FS mín 1,0433 Prob. Falha (%) 0,0000 Índice de Confiança 3,880 Desvio Padrão 0,1290 Total de iterações 100.000 Figura 11. Lançamento da camada 4 - Análise da probabilidade de falha (Alves, 2009) Tabela 2 - Resultado das análises de estabilidade Situação com r u 0 (Alves, 2009) FS(Bishop) FSmédio Probabilidade Descrição Análise ru (Determinístico) (Probabilístico) de Falha (FS<1) 0 1,34 1,30 0 0 1,78 1,87 0 0 1,61 1, 3/10.000 0 1,72 1,70 0 0 1,71 1,66 1/10.000 0 1,60 1,2 0 Camada 4 PDE Estéril 0 1,9 1,0 0 Tabela 3 - Resultado das análises de estabilidade Situação com r u = 0 (Alves, 2009) FS(Bishop) FSmédio Probabilidade Descrição Análise ru (Determinístico) (Probabilístico) de Falha (FS<1) enrocamento) Projetado 0 1,7 1,0 2/1.000 Camada 1 enrocamento) Enroca-mento 0 1,96 - - 0 1,60 1,6 3/10.000 0 2,00 1,9 0 0 1,70 1,6 2/10.000 0 1,90 1,82 0 Camada 4 PDE Estéril 0 1,86 1,76 0 7 CONCLUSÕES Historicamente, a disposição dos resíduos de minérios sempre foi feita pelo menor custo possível, mas, hoje, com as leis ambientais cada vez mais rígidas, essa etapa requer um controle mais adequado por parte das mineradoras. Portanto, há uma clara necessidade de estudos bem elaborados para evitar tragédias com graves consequências, tanto ambientais como também para a população em geral, além de manter o caráter sustentável destes tipos de empreendimentos. Os valores encontrados para o FS, tanto determinístico quanto probabilístico, não se diferem muito quando é lançado estéril ou enrocamento, ficando evidente esta proximidade até na análise de probabilidade de falha. Portanto, a utilização de um ou de outro material não acarreta perda em termos de estabilidade. Como não há diferenças significativas quando se analisa a estabilidade da nova PDE, caso seja conveniente, pode-se adotar o enrocamento não como uma camada de m, mas como uma espinha de peixe, funcionando neste caso como dreno e controlando a geração de poropressão. Caso o lançamento de estéril (situação com ru 0) precise ser paralisado e/ou interrompido permanentemente a partir da segunda camada, a estrutura atende ao critério de fechamento e/ou desativação, mesmo apresentando geração de acréscimos de poropressão. Por meio da probabilidade de falha pode-se estabelecer com mais segurança qual a probabilidade de risco para uma determinada situação de alerta pré-definida, por exemplo, FS < 1,3 no regime de operação, onde os alteamentos são realizados constantemente. 6
Trabalhar com dados estatísticos é muito importante, primeiro pela variabilidade natural dos materiais, e segundo que, por meio das probabilidades de falha pode-se tomar decisões com mais respaldo ainda na fase de projeto, podendo mudar, por exemplo, a inclinação dos taludes otimizando os projetos e mantendo a sua segurança. Essas decisões podem ser tomadas também utilizando dados determinísticos, mas sem determinar qual a porcentagem de fatores de segurança que indicam a ruptura da estrutura. Conclui-se, portanto, que a disposição compartilhada de rejeito e estéril é viável, pois, apresenta estabilidade e segurança quando se dispõe dois materiais com características tão diferentes num mesmo espaço. É evidente que para alcançar o melhor resultado deve-se fazer um anteprojeto com todas as possibilidades de associações dos materiais bem estudadas. Elevação 1100,00 metros - Análise de Estabilidade. RDIZ Projetos, Itabira, MG, 19 p. SBC (200). Avaliação da Segurança das Pilhas para Disposição de Estéril - Volume IV: Memorial Descritivo das Investigações e Ensaios de Campo e Laboratório. SBC Consultoria. Itabira, MG, 69 p. SPEC (2004). Pilha para Disposição de Estéril da Aba Oeste - Conformação Final (Elevação 94 metros). SPEC Planejamento, Engenharia e Consultoria Ltda, Relatório do Projeto Executivo - Volume I. Itabira, MG, 80 p. Vale (2002). Disposição de na Cava Exaurida da Mina do Cauê Avaliação de Estabilidade dos Taludes. Relatório RL 100E - 17 0027. Itabira, MG, p. Wickland, B. E.; Wilson, G. W. (200). Research of codisposal of tailings and waste rock. Geotechnical News, p 3-38. REFERÊNCIAS Alves, A.R.C. (2009). Disposição Compartilhada de e Estéril Gerados no Processo de Extração de Minério de Ferro. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Publicação G.DM-176/2009, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 183 p. DNPM (2007). Departamento Nacional de Produção Mineral Ministério de Minas e Energia - Universo da Mineração Brasileira, 83 p. Espósito, T. J. (2000). Metodologia Probabilística e Observacional Aplicada a Barragens de Construídas por Aterro Hidráulico. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 363 p. Gama, E.M., Araújo, A.C., Valadão, G., Hernandez, A. C., Cordeiro, R., Vinueza, G. (2006). Tecnologia de Pasta Mineral Aplicada à Barragens de s e Preenchimento em Minas Subterrâneas. In: IV Congresso Brasileiro de Mina Subterrânea / IV Congresso Brasileiro de Mina a Céu Aberto, Belo Horizonte, MG, 12 p. Presotti, E.S. (2002). Influência do Teor de Ferro nos Parâmetros de Resistência de um de Minério de Ferro. Dissertação de Mestrado em Geotecnia Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, MG, 13 p. RDIZ, (2008). PDE Aba Oeste - Alteamento para a 7