PESQUISA A GRANDES PROFUNDIDADES SONDAGENS A PERCUSSÃO, ROTATIVA E GALERIAS Introdução As investigações de subsuperficie constituem uma etapa sucessiva ao mapaeamento geologico regional objetivam complementar as informações adquiridas durante o mapeamento geologico de detalhe. Em diversos casos, este procedimento é algo indispensável devido a extensa cobertura de solo e concomitante escasses de afloramentos rochosos, além de coberturas recentes como coluviões e aluviões, que podem recobrir e mascarar zonas que possam conter mineralizações. Os principais procedimentos consistem na abertura de poços, trincheiras e sondagem manuais ou mecânicas. Este expediente permite verificar a espessura de solo, reconhecimento de litotipos, investigação de variações estruturais, estratigraficas e litilogicas, além da amostragem de solo e rocha para análises químicas. O detalhamento posterior requer trabalhos mais complexos e envolve custos comparativamente maiores, frequentemente com o objetivo de investigações a grandes profundidades. Os principais procedimentos adotados neste caso são galerias, sondagens a percussão e rotativas. Galerias Galerias ou acessos verticais denominados shafts ou planos inclinados são procedimentos adotados para a prospecção de minérios com formato irregular e com distribuição errática dos minerais de minério. Em contraste com a lavra subterrânea, a pesquisa por galerias ou shafts deve ser efetuada com rapidez e frequentemente não ultrapassa 200m de profundidade. O acesso direto por meio de galerias é adequado para áreas com topografia acentuada, com intervalo entre galerias determinado pela regularidade do corpo (Figura 1). É recomendada a abertura de galerias com ângulos entre 0,5 e 1, para que haja escoamento de águas de meteóricas ou subterrâneas por gravidade.
Figura 1 Perfil esquemático de acesso a um corpo de minério por galerias O sistema de acesso por meio de shaft é recomendado apenas para locais onde o minério seja relativamente profundo ou sob terrenos com topografia plana, algo que inviabiliza a abertura de galerias. A abertura de um shaft não constitui uma atividade de pesquisa mineral devido ao fato de incorporar informações basicamente acerca do rocha encaixante. Informações quanto ao minério são obtidas por galerias ou planos inclinados abertos e acessados por meio do shaft (Figura 2). Neste sentido, corpos de minério com mergulho acentuado ou com grande irregularidade devem ser acessados preferencialmente por planos inclinados, abertos preferencialmente ao longo do intervalo mineralizado (Figura 3). Figura 2 Esquema de acesso a corpo mineralizado por meio de shaft Quando planejadas também com este objetivo, as informações obtidas neste tipo de sistema de prospecção podem servir de base para a montagem de plantas piloto de beneficiamento ou pré-lavra, devido ao volume relativamente elevado de material extraído, principalmente para o caso de planos inclinados.
Figura 3 Sistema de prospecção em plano inclinado Este procedimento é usual para casos em que o minério apresente distribuição errática dentro de uma faixa mineralizada, situação que requer amostragens em grandes volumes para definição adequada de teores. Este elevado volume de material pode ser concentrado em plantas de pequeno porte e posterior envio do concentrado para análises químicas. Investigações deste tipo são relativamente demoradas e caras num projeto de prospecção mineral. Desta forma, devem ser efetuados com equipes simultâneas de trabalho e planejadas de forma a serem úteis durante as atividades de lavra, como faces livres para detonação ou dutos de ventilação. A seleção de galerias, shaft ou plano inclinado deve obedecer ao ângulo de mergulho do minério (Figura 4). Regiões com topografia adversa e mergulho do minério abaixo de 15 ou entre 75 e 90, acesso é recomendado por meio de shaft e galeria. Corpo de minério com mergulho entre 30 e 75 deve ser acessado preferencialmente por plano inclinado, com base assentada no contato inferior entre minério e rocha encaixante. Entre 15 e 30 é recomendado o uso combinado de shaft e plano inclinado. Figura 4 Forma indicadas de acesso a depósitos com mergulho variável
Sondagem a Percussão Perfuratrizes a percussão empregam o principio do peso em queda livre para desferir golpes ritmados para avanço na perfuração. Os fragmentos produzidos são recuperados por meio de bombas de areia caçambas de limpeza, amostradores de solo ou pela circulação de fluidos de perfuração. São recomendadas para rochas inconsolidadas, saprolito ou rocha muito fraturada Este tipo de perfuração pode ser realizada de forma manual ou mecanizada. A sondagem manual utiliza um tripé com uma roldana ou polia na extremidade superior, que movimenta uma corda ligada a um peso de bater e uma haste guia. Na extremidade inferior do conjunto é fixado um amostrador que pode ser de tubo sólido ou bipartido (Figura 5). Figura 5 Ferramental de sondagem a percussão, com haste de percussão e amostrador de tubo sólido. A operação deste tipo de sonda consista na fixação do amostrador na extremidade inferior da haste de percussão, posicionada no solo e golpeada de forma rítmica até o comprimento máximo do amostrador. A medida que penetra no terreno, a material amostrado é retiro e permanece no amostrador por meio de um dispositivo de retenção.
Posteriormente o amostrador é retirado do furo para limpeza e coleta do material amostrado, usualmente a cada metro perfurado. Em locais onde ocorrem desmoronamentos é necessário o revestimento do furo, realizado de forma concomitante a perfuração. Sondagens a percussão mecânicas utilizam cabos de aço que sustentam a coluna de percussão e são movimentadas por uma junta excêntrica, acoplada ao motor, que possibilita movimentos rítmicos de subida e descida da coluna. A força produzida pelo motor permite ainda a injeção de fluido de limpeza e colocação de revestimento no furo. Em semelhança a coroa de perfuração em sondagens rotativas, o trepano é responsável pela operação de perfuração, constituído por uma aresta cortante na parte inferior (Figura 6). A coleta de material triturado é feita com auxilio de caçambas de limpeza ou bombas de areia, que são introduzidas no furo após a retirada do ferramental de percussão. Figura 6 Esquema de funcionamento de uma sonda a percussão, com o trepano na extremidade inferior do conjunto. A perfuração a percussão mecânica em terrenos pouco consolidadas é iniciada a partir da abertura de um furo com aproximadamente 1m de profundidade, com auxilio de trado ou cavadeira manual, para introdução das ferramentas de percussão e posicionamento do trepano na base do furo.
Em trabalhos sobre rocha litificada ou cristalina, é aberto um furo com aproximadamente 15cm de profundidade com auxílio do trepano, o qual é posteriormente integrado ao conjunto de perfuração. Em ambos os casos, a perfuração é iniciada em baixa velocidade para os primeiros metros perfurados, posteriormente acelerada a medida que o furo adquira capacidade de servir como guia ao ferramental de perfuração. Sondagens Rotativas Em sondagens rotativas mecânicas, as rochas são perfuradas pela rotação de um elemento cortante posicionado em contato direto com a rocha, representado por coroa diamantada, broca ou trépano. São recomendadas para perfuração de rochas cristalinas pouco fraturadas ou litificadas, em furos verticais ou inclinados. São baseadas na pressão exercida por força hidráulica ou manual e do peso do ferramental de perfuração, exercidos na ferramenta de perfuração, que pode ser diamantado para rochas cristalinas ou bastante litificadas, ou constituída por wídia, carbeto ou tungstênio para perfuração de materiais de dureza média, como rochas sedimentares. O material cortado e recuperado e enviado até a superfície por meio do fluido de perfuração, que pode ser constituído por água, lama ou ar, injetado no furo sob elevada pressão. Outro procedimento de recuperação do material perfurado é a partir de barriletes, que são hastes especiais que armazenam cilindros de rocha ou testemunhos de sondagem. Sondagem Diamantada Empregada em furos de diâmetro inferior a 80mm, onde o principal objetivo é a recuperação de testemunhos contínuos do material perfurado para definição estrututral, textural, análises químicas, dentre outros. Não recomendada para terrenos inconsolidados com fragmentos duros ou rochas muito fraturadas. Usualmente utiliza coroa de perfuração em formato anelar cravejado com diamantes, para cortes de material em alta rotação, sob a forma de
cilindro. Este tipo de perfuração permite a furos verticais ou inclinados, em profundidades superiores a 1000m, com equipamentos montados em caminhões ou sobre plataforma móvel, algo que facilita o acesso do equipamento em áreas acidentadas (Figura 7). Figura 7 Sondas rotativas estáticas e móveis. Este equipamento é constituído por elementos básicos como: motor, bomba para injeção de fluido no furo, tripé ou torre, além da coluna de perfuração com hastes, barrilete, calibrador e coroa diamantada, acoplados ao mandril e cabeçote responsável pelo movimento rotativo (Figura 8). Existe ainda um tornel de içamento para recuperação de testemunhos. Os diâmetros das sondagens diamantadas são padronizados e expressos nas bitolas X ou W (Figura 9). As hastes W apresentam diâmetro externo sensivelmente maior, que reduz o espaço entre o diâmetro do furo e a haste, o que permite elevada velocidade de circulação do fluido de perfuração e rápida limpeza do furo.
Figura 8 Diâmetros de sondagem diamantada X e W Figura 9 Esquema simplificado de sonda rotativa. Os testemunhos de sondagem apresenta diâmetro variável entre 18mm e 76mm, com diâmetros maiores utilizados no inicio da perfuração, ou seja, ao longo do manto de intemperismo. Ao atingir rocha cristalina ou litificada rasa, são adotados diâmetros intermediários.
Pequenos diâmetros são adotados em sondagens de pequena profundidade em galerias ou no interior de furos revestidos. O uso de revestimento é freqüente em camadas intemperizadas ou rochas incolsolidadas, usualmente cravada por percussão. As hastes de perfuração são responsáveis pela transmissão de movimento rotativo a coroa e pelo avanço da perfuração, constituídos de tubos de aço para circulação interna de fluido (Figura 10). Figura 10 Hastes de perfuração O barrilete está situado entre a coroa de perfuração e as hastes, constituído de tubo oco e preenchido por testemunhos de sondagem durante a perfuração. O material armazenado pode ser extraído pela retirada de toda coluna de perfuração ou através das hastes de perfuração em sondagens do tipo wire line. Este último é o tipo mais utilizado atualmente, pois permite a recuperação de testemunhos de forma contínua e rápida. Existem três tipos básicos de barriletes: simples, duplo rígido e duplo giratório. O tipo simples é formado apenas por um tubo que armazena em seu interior o testemunho (Figura 11). Neste caso o fluido de perfuração circula entre o testemunho e a barrilete, algo que pode causar o desgaste do material caso seja pouco consolidado ou friável. O barrilete duplo rígido é composto de um tubo interno e outro externo, que permite a circulação de fluido de perfuração entre os tubos. O testemunho de sondagem ocupa o espaço do tubo interno, algo que proporciona sua preservação do fluxo de fluido, embora este tubo gire com a composição e provoque o desgaste de materiais friáveis por abrasão (Figura 12). O barrilete duplo móvel é semelhante ao do tipo duplo rígido, com a diferença de o tubo interno não girar com o ferramental de perfuração e, portanto, proporciona a maior preservação do testemunho (Figura 13).
Figura 11 Barrilete simples Figura 12 - Barrilete duplo rígido Figura 13 - Barrilete duplo móvel
O calibrador é um dispositivo posicionado entre a coroa de perfuração e o barrilete, com a finalidade de preservar o calibre do furo e proteger o barrilete de desgaste, a medida que ocorre o desgaste lateral da coroa de perfuração. As coroas de perfuração são constituídas por uma extremidade roscável e outra cravejada de diamantes, além do revestimento lateral também cravejado (Figura 14). Representa o acessório de maior influencia no custo da perfuração. Podem ser classificadas quando ao tipo, tamanho e qualidade dos diamantes; numero de saídas de água ou características da matriz. Figura 14 Coroas de perfuração diamantadas Coroas com pedras de diamante grandes permitem maior rendimento em perfurações de rochas alteradas e arenitos, enquanto que coroas com pedras pequenas são aplicadas em rochas cristalinas e compactas. Quanto maior a qualidade dos diamantes, maior a duralibilidade da coroa e possibilidade de perfuração de materiais de maior dureza. Coroas com 6 a 8 saídas de água são recomendadas para perfuração de rochas sedimentares ou alteradas, enquanto que coroas com 2 a 4 saídas são indicadas para rochas cristalinas. A recuperação é um termo aplicado a quantidade de testemunho recuperado por metro de avanço na perfuração, que devem preferencialmente em condições normais acima de 90%, ou seja, 0,90m de testemunho por metro perfurado. Sondagem Rotary O processo de perfuração neste tipo de sondagem é realizado com auxilio de trépano ou broca, que provoca a fragmentação do material por
penetração de giro em alta velocidade. O fluido de perfuração pode ser injetado por fora ou por dentro das hastes, cuja circulação possibilita a limpeza do furo. Este fluido é conduzido a um tanque de decantação e peneirado, para recuperação e armazenagem de fragmentos do material perfurado. O maquinário utilizado para perfuração consiste em motor, torre, bomba de lama, mesa giratória e tanque de decantação. É empregado desde a perfuração de poços rasos para captação de água quanto para perfuração de poços para exploração de óleo e gás, que podem atingir 7000m de profundidade (Figura 15). Figura 15 Esquema de perfuratriz Rotary As brocas de perfuração são bastante variáveis e podem ser classificadas em 3 tipos básicos: trépano de arrasto, tipo tricônico e tipo rodilho. O trépano de arrasto é composto por arestas que são superficialmente enriquecidas em carboneto de tungstênio ou diamantes sintéticos, para proporcionar uma ação, propriedade indicada par perfuração de rochas sedimentares e matérias inconsolidados (Figura 16).
Brocas tipo triconica ou rodilho possuem uma gradação ampla em relação ao tamanho dos dentes e separação entre rodilhos. Brocas com dentes curtos e pequena separação entre rodilhos são empregadas na perfuração de rochas cristalinas, enquanto que para sedimentos e materiais inconsolidados são utilizados brocas com dentes longos e distancia ampla entre rodilhos (Figura 17). Figura 16 Trépano de arrasto com diamantes sintéticos. Figura 17 Broca tipo tricônica e tipo rodilho. Pescaria É comum a retenção ou aprisionamento do ferramental num furo durante a atividade de perfuração, em geral atribuído a fatores como: quebra de ferramenta ou conexões, rompimento do cabo de percussão, desmoronamento do poço, aprisionamento de ferramentas em zonas de fratura.
O termo pescaria é aplicado ao procedimento de resgate do ferramental retido, por meio de operações delicadas e em muitos casos demoradas. Os pescadores são ferramentas desenvolvidas para a recuperação de ferramentas, embora não existam instruções rígidas para execução deste procedimento, havendo casos a necessidade de confecção de dispositivos no próprio local de perfuração em atendimento a necessidades específicas (Figura 18 e 19). Figura 18 Ferramental utilizado para pescaria em sondagem a percussão Figura 19 Ferramental utilizado para pescaria em sondagem rotativa
Desvio de Furos É bastante comum a ocorrência de desvio do trajeto durante atividades de perfuração, principalmente com profundidades superiores a 100m. Alguns procedimentos devem ser adotados para evitar grandes desvios, como: uso de hastes aprumadas, barriletes corretos, pressão no ferramental e rotações adequadas ao conjunto. Os furos devem ainda ser locados com um ângulo mínimo de 30 entre a direção de perfuração e o plano principal de acamamento ou foliação do material a ser perfurado em furos com até 100m e a 45 para furos em profundidades superiores. Contudo, em casos onde é desejado que haja desvios no sentido de perfuração, é possível o uso de desviadores, que são fixados na parede do poço ou entre dois tubos de revestimento quando revestido o poço (Figura 20). Figura 20 Esquema de deflexão de furo de sonda por meio de cunha desviadora O desvio de furos pode ser medido por sensores eletrônicos ou magnéticos capazes de medir a direção e o sentido de mergulho, em sistemas de funcionamento que integram uma bússola e um clinômetro (Figura 21), havendo limitações de uso em rochas magnéticas como basaltos, ultramáficas e cabonatitos.
Figura 21 Medidor magnético de inclinação de furos Sondagem Banka Este tipo de perfuração é indicado para terrenos aluvionares ou com nível freático raso, realizada inicialmente por meio da introdução de uma tubulação rotação no terreno, com plataforma de circulação de operários posicionada na extremidade superior. São introduzidos o trado de perfuração e hastes por dentro da tubulação, alavancado de forma rotacional por operários posicionados na plataforma da extremidade da tubulação (Figura 22). Em condições normais de trabalho, a tubulação é continuamente cravada simplesmente devido ao peso próprio e dos operários sobre a plataforma, somado a abertura proporcionada pelo avanço da perfuração. Entretanto, sobre terrenos consistentes e com maior dificuldade de penetração, a perfuração é auxiliada por percussão manual sobre uma luva adaptada na tubulação. Ao atingir matações impenetráveis ao trado convencional ou pela tubulação em avanço percussivo, um trépano é adaptado na extremidade de uma haste e utilizado até a transposição do obstáculo. A cada 30cm a 60cm de perfuração ocorre a retirada do material atravessado e retido no interior da tubulação, por meio de trados helicoidais para o caso de terrenos argilosos, ou a partir de bombeamento no caso de terrenos arenosos ou cascalho A perfuração usualmente é feita com diâmetro de 4 polegadas, com água no interior da tubulação em áreas com nível freático raso ou com adição de água em áreas com nível freático profundo, sempre com perfurações verticais.
Figura 22 Esquema de operação de sonda Banka Referencias MARANHÃO, R. J. L. Introdução a Pesquisa Mineral. Banco do Nordeste do Brasil, Fortaleza, 2 Ed., 796p., 1985. MOON, C. J.; WHATELEY, M. E. G.; EVANS. A. Introduction to Mineral Exploration. Blackwell Publishing, Malden, 2 o ed., 499p., 2006. PEREIRA, R. M. Fundamentos de Prospecção Mineral. Editora Interciência, 167p., 2003. PETERS, O. A. B. Exploration and Mining Geology. John Wiley & Sons, New York, 372 p. 1978.