Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014 CBMR/ABMS e ISRM, 2014 Análise de Risco de Projetos de Realces da Mineração Caraíba João Paulo Silva de Freitas. Mineração Caraíba S/A, Jaguarari/BA, Brasil, joao.paulo@minacaraiba.com. Rodrigo Peluci de Figueiredo. Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto/MG, Brasil, rpfigueiredo@yahoo.com.br. RESUMO: Sempre se fizeram necessários estudos geotécnicos aprofundados com o surgimento da mina subterrânea da Mineração Caraíba S/A, em virtude, principalmente, do seu maciço rochoso estruturalmente complexo, à alta sismicidade da região e às grandes dimensões das escavações de produção. Consequentemente foi introduzida, para projetos dos realces da mina subterrânea, a análise de risco, com a finalidade de antever problemas geomecanicos e as possíveis diluições com estéril e paste fill. Paralelamente, introduziu-se nas análises de riscos dos realces a caracterização do maciço rochoso, baseado no sistema RMR de Bieniawski (1989), tendo auxílio, para interpretação e visualização em 3D, do programa Datamine Studio 3.0. Adicionalmente, utilizou-se simulação numérica, utilizando o software Examine-3D da Rocsciense para modelagem das escavações e interpretação dos respectivos resultados. Levou-se também em consideração nos estudos, o sistema de monitoramento micro-sísmico implantado na empresa em 2002, associando o projeto de cada realce com a respectiva sismicidade ocorrida anteriormente no local. Com a junção das análises mencionadas, pôde-se obter uma maior previsibilidade no comportamento das aberturas subterrâneas, obtendo resultados práticos significativos no controle de diluíção e na segurança. PALAVRAS-CHAVE: Escavação Subterrânea, Caracterização do Maciço Rochoso, Simulação Numérica 3D, Monitoramento Micro-sísmico. 1 INTRODUÇÃO A Mineração Caraíba está localizada no Vale do Curaça, área atual do município de Jaguarari no estado da Bahia, a cerca de 500 quilômetros de Salvador (Figura 1), tendo como sua principal atividade a extração de cobre do subsolo. A partir de 1986 foi implantada a mina subterrânea, sendo a produção de cobre obtida simultaneamente com a mina céu aberto. O método de lavra adotado na época foi o sublevel stoping, sendo utilizados, para os painéis I e II da Mina Caraíba, realces alcançando dimensões de até 95x35x80m. A operação não foi bem controlada e os desplacamentos aumentavam a diluição em até 30%. Figura 1. Localização da Mineração Caraíba. O alto índice de over-break obtido na lavra dos painéis I e II, bem como as condições estruturais e de tensões in situ na mina, intensificadas com a profundidade, suportaram a recomendação de não mais se utilizar o sublevel stoping. Assim, a partir de 1998 foram
adotados realces com alturas de 55 metros para o III painel, 60 metros de altura para o IV e V painéis e 37 metros para o VI painel (Fig. 2). O método de lavra então escolhido foi o VRM (Vertical Retreat Mining) ou lavra em Recuo Vertical, que tornou possível a posterior lavra dos pilares com a implantação do sistema de paste fill para preenchimento dos realces. Figura 3. Relatório de Análise de Risco para Projetos. Figura 4. Desenho Esquemático dos Projetos. Figura 2. Layout do desenvolvimento dos painéis III, IV, V e VI. 2 ANÁLISE DE RISCO DE REALCES 2.1 Implantação da Análise de Risco para Projeto dos Realces A partir de 2008 foi introduzida, para projeto dos realces da mina subterrânea, a análise de risco, com finalidade de antever problemas geomecanicos e as possíveis diluíções com estéril e paste fill (Fig. 3). Esses aspectos foram baseados na geometria dos realces projetados e no histórico de enchimento com pasta das escavações circunvizinhas, observando-se nesse ultimo caso, a resistência à compressão simples, obtida em laboratório. O relatório elaborado para os projetos lista cada risco observado, mensurando seu impacto e a estimativa de probabilidade de ocorrência, buscando estabelecer tratativas preventivas ou corretivas para o mesmo. Um desenho esquemático dos projetos é criado (Fig. 4), para melhor compreensão espacial do realce, indicando os locais de rocha e pasta, com as suas respectivas resistências. 2.2 Caracterização Geomecânica do Maciço Rochoso para Análise de Risco dos Realces Com intuito de compreender o comportamento do maciço rochoso da Mineração Caraíba, foram criadas em 2012, pela atual equipe de Geotecnia, seções geotécnicas, tendo como auxílio, para interpretação e visualização em 3D, o programa Datamine Studio 3.0. A caracterização geomecânica foi baseada no sistema RMR de Bieniawski (1989), que permite classificar o maciço rochoso quanto à sua qualidade geotécnica. São levados em consideração os parâmetros: resistência da rocha intacta (IS), RQD, espaçamento das descondinuidades, condições das descontinuidades (persistência, abertura, rugosidade, preenchimento e alteração), condições de água e ajuste pela orientação das descontinuidades. Essas observações são descritas com base em testemunhos de sondagens, preenchendo uma planilha de campo e posteriormente alimentando uma planiha eletrônica para banco de dados (Fig. 5). De forma geral, podemos dizer que a classificação do sistema de Bieniawski é de cunho mais prático, definindo 5 classes de maciço rochoso, sendo a 1 a melhor e a 5 a pior possível. Outros detalhes relevantes são também notificados na
descrição, como, por exemplo, a presença de zonas de falhas e de empastilhamentos (discings) ao longo do furo descrito (Fig. 6), indicando, assim, possíveis regiões mais instavéis e de maior concentração de tensões, respectivamente. Figura 5. Modelo da Planilha Eletrônica de Descrição Geotécnica do RMR. Figura 7. Seção Geotécnica Gerada. A caracterização geomecânica baseada na descrição de testemunhos de sondagens é de suma importância para que se identifique a qualidade do maciço rochoso em cada realce e possíveis zonas instáveis no projeto da escavação. Nas Análises de Risco defronta-se o projeto do realce com os furos descritos geotecnicamente, avaliando potenciais zonas de ruptura (Fig. 8). Figura 6. Modelo da Planilha Eletrônica na Observação de Zonas de Falhas e Empastilhamento. Todo o banco de dados assim gerado, eletronicamente, é exportado para o software Datamine, gerando um arquivo com as informações dos furos. Seções Geotécnicas são geradas a partir daí (Fig. 7), informando o respectivo grupo litológico/geomecânico da Mina Caraíba, os quais podem ser divididos em cinco categorias: gnaisse, piroxenito, gabronorito, metassomatito e calcossilicática, que têm suas respectivas colorações expressas nas linhas dos furos (Fig. 7). Valores de RMR são numericamente apresentados ao lado direito dos furos e as zonas de falhas e empastilhamentos são expostos na forma de barras nas cores vermelha e azul, respectivamente, ao lado esquerdo dos furos (Figs. 7 e 8). Figura 8. Perfil do Projeto de Escavação - Indicando Baixa Qualidade do Maciço no Hanging Wall do Realce. 2.3 Simulação Numérica para Análise de Risco dos Realces Os modelos computacionais para a Análise de Risco dos Realces da Mina Caraíba são todos elaborados com o software Examine3D da
Rocsciense (Figueiredo et al., 2007). Trata-se de um código de modelagem tridimensional pelo Método dos Elementos de Contorno (Beer, 2001). Em tal método, apenas nas fronteiras (no caso, superfícies de escavação e/ou o terreno original) e não no meio (maciço rochoso), é requerida uma discretização em elementos, ditos elementos de contorno. O Examine3D só permite considerar o maciço como um meio elástico-linear e adicionalmente tem as limitações de isotropia e homogeneidade do meio. Apesar dessas limitações no que tange à realidade geotécnica do maciço, o Examine3D revelou-se, em todas as suas aplicações na lavra da mina subterrânea da Mineração Caraíba, que remontam à primeira metade da década de 1990 (Figueiredo et al., 1996), como uma ferramenta útil na avaliação do comportamento global da mina e na previsão dos potenciais problemas de estabilidade local em realces e pilares (Figueiredo et al., 2007). Abaixo se têm tabelas com o resumo dos parâmetros de resistência e deformabilidade utilizados nas modelagens computacionais, tanto para os maciços rochosos, quanto para as zonas de falhas (Barton & Bandis, 1990). As propriedades das rochas intactas são tomadas diretamente dos dados médios obtidos em laboratório pelo IPT/SP (Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo) em 1995. Tabela 1. Propriedades de Resistência e Deformabilidade do Maciço Rochoso (Critério de Hoek & Brown). GSI m b s a σ cm (MPa) E m (MPa) 75 11.056 0.062 0.501 77.293 53062.75 GSI Geological Strength Index; m b Parâmetro m de Hoek & Brown para Maciços Rochosos; s Parâmetro s de Hoek & Brown; a Parâmetro a de Hoek & Brown; σ cm Resistência a Compressão Unixial dos Maciços Rochosos; E m Módulo de Elasticidade dos Maciços Rochosos. Tabela 2. Propriedades das Zonas de Falhas (Critério de Barton Bandis). JRC JCS (MPa) Ø b ( ) 11 162 30 JRC Joint Roughness Coefficient; JCS Joint Compressive Strength; Ø b ângulo de Atrito Básico. Sempre houve uma considerável divergência no que se refere ao estado de tensões in situ da Mina Caraíba, seja entre os resultados das medições (duas campanhas realizadas pelo IPT em 1983 e 1989 e uma terceira por FURNAS em 2002 - Figueiredo, 2008), seja nas hipóteses aventadas nas estimativas. Por esses motivos, nas análises computacionais considera-se que os valores mais confiáveis são aqueles obtidos em retroánalises, já que são os únicos que, de alguma forma, correspondem a fenômenos efetivamente observados na mina, em escala real. Então, os valores de entrada para modelos numéricos (Tab. 3) são idênticos aos resultados da retroánalise de colapso ocorrido no VII painel por Figueiredo et al. (2007). Tabela 3. Valores de K (= tensão horizontal / tensão vertical) para os estados de tensões in situ adotados. K Leste/Oeste K Norte/Sul 1.5 1.275 3 CASO DE ESTUDO APRESENTADO Dezenas de simulaçoes numéricas já foram realizadas para Análises de Risco dos Realces da Mina Caraíba. Algumas delas podem ser destacadas, como é o caso da lavra do realce RE11/PE10 no XI painel (aproximadamente a 950 metros de profundidade). Pelo projeto inicial, tínhamos um raio hidráulico (RH) préestabelecido para as faces da escavação, com base em sugestão de consultorias estrangeiras. Foram estabelecidos RHs de 3.4 e 5.0, respectivamente para teto e paredes (hanging wall e footwall) dos realces. Com o intuito de otimizar a produção na área, vislumbrou-se a possibilidade de elevação dos RHs do projeto inicial, com base na caracterização geomecânica, que informava uma boa qualidade (RMR igual 65) do maciço rochoso para a escavação. Todavia, foi realizada uma modelagem computacional, com o objetivo de avaliar o
comportamento do maciço com o aumento do raio hidráulico. Assim, modelou-se uma escavação com RHs de 5.9 e 8.75 para teto e paredes, respectivamente. Obteve-se um fator de segurança (FS) baixo no hanging wall do realce, sugerindo diluições elevadas e falta de segurança no decorrer da lavra (Fig, 9). Contudo, notou-se a possibilidade de minimizar essa possível diluição e aumentar o fator de segurança do projeto com a execução de um plano de cabeamento no piso da galeria superior, que abrangisse parte do local com os baixos FSs verificados na modelagem (Fig. 10). Figura 9. Simulação Numérica do Projeto RE11/PE10. desplacamento ou diluição na execução do realce, mesmo com a elevação significativa do seu raio hidráulico. Conclui-se que a modelagem computacional propiciou uma previsão bastante acurada do comportamento da escavação, resultando numa alta produção, com segurança, que até então não era vislumbrada. 4 MONITORAMENTO MICRO-SÍSMICO NA ANÁLISE DE RISCO DOS REALCES A lavra e as elavadas tensões decorrentes do aprofundamento da mina subterrânea foram condicionantes para o aparecimento de eventos sísmicos no subsolo. Foi assim que surgiu a necessidade de se instalar um sistema de monitoramento micro-sísmico (Fig. 11), para se determinar com precisão a localização dos eventos sísmicos induzidos, bem como suas magnitudes e a potencial interferência na operacionalidade da mina (Mendecki, 1997). O objetivo principal seria fornecer informação contínua sobre a real situação da sismicidade na Mina Caraíba. O sistema é composto de sensores instalados por toda a mina, que enviam sinais de diferentes pontos, automaticamente para caixas de aquisição de dados. Essas caixas acumulam e processam tais informações e os enviam a um computador central. O computador usa um conjunto de programas específicos que permitem processar, interpretar e visualizar os eventos captados em todo o layout da mina, para que se obtenha uma compreensão integrada do fenômeno físico envolvido. Figura 10. Projeto e Levantamento Topográfico da Escavação Lavrada RE11/PE10. Com o levantamento topográfico posterior ao término da lavra, detectou-se um resultado prático obtido com a interação da caracterização geomecânica com a simulação numérica. No caso, não se observou nenhum grande Figura 11. Desenho Esquemático do Sistema de Monitoramento Sísmico da Mineração Caraíba.
Tal monitoramento sísmico é essencial para o projeto dos realces, indicando se os mesmos estão localizados em regiões com baixa ou alta tendência de sismicidade. Assim foi o caso da lavra do realce PE12/RE13 no XI painel, onde se indicou, na Análise de Risco, que a região anteriormente abalada por eventos, estaria distante da escavação (Fig. 12). Figura 12. Concentração dos Eventos Sismicos (pontos coloridos) superpostos ao Projeto da Escavação (em azul/cinza) na Vizualização Global da Mina. REFERÊNCIAS Barton, N. & Bandis, S., (1990). Review of Predictive Capabilities of JRC-JCS Model in Engineering Practice. In: Rock Joints (eds. Barton & Stephansson), Rotterdam: Balkema, pp. 603-610; Beer, G. (2001). Programming the Boundary Element Method An Introduction for Engineers. New York: Wiley, 457 p; Bieniawski, Z.T. (1989). Engineering rock mass classifications. E. Wiley, New York; Figueiredo, R. P. et al. (1996). Modelagem Tridimensional de Escavações de Mineração pelo Método dos Elementos de Contorno (MEC) - Um Estudo de Caso Brasileiro. INFOGEO96, São Paulo, Vol. 1, pp 215-222; Figueiredo, R. P. de; E. C. Reis & P. B. Cavalcante (2007). Modelagem Computacional dos Painéis VII, VIII e XIX. Relatório Interno: Mineração Caraíba S/A, 37 p + anexos; Figueiredo, R. P. de (2008). Interpretação dos Resultados de Ensaios In Situ na Mina Subterrânea da Mineração Caraíba SA. Relatório Interno: Mineração Caraíba SA, 4 partes: 44 p + anexos; Hoek, E. et al., (2002). Hoek-Brown Criterion 2002 Edition. In: Proc. NARMS-TAC 2002, Conf., Toronto: Civil Engineering Dept., University of Toronto; v. 1, pp. 267-273; Mendecki, A. J. (1997). Seismic Monitoring in Mines. Chapman-Hall, London, 262 p. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Tendo em vista a complexidade do maciço rochoso da Mineração Caraíba, a elevada pronfundidade da mina e a severa sismicidade induzida pela lavra, os estudos aqui apresentados são de suma importância e devem ser constantemente aprimorados e /ou revisados para que se garanta a segurança dos trabalhadores e equipamentos e se amplie ao máximo a vida da mina subterrânea, com a otimização da produção dos seus realces. AGRADECIMENTOS Agradecimentos à Mineração Caraíba S/A, pelos conhecimentos profissionais adquiridos diariamente, e à Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) pelos conhecimentos técnicos transmitidos no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Geotécnica.