Aplicação da Avaliação Geomecânica de Maciços Rochosos no Planejamento da Escavação a Fogo em Mineração Tejada - Cervantes, L.M.; Murrieta, P. e Ribeiro, L. F. M Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil RESUMO: Os processos industriais da atividade mineral geram, durante o beneficiamento, diferentes produtos: o minério economicamente importante, os rejeitos e o material estéril retirado, a rocha estéril é retirada mediante escavação a fogo. Este tipo de exploração é comum na prática da engenharia. Por razões de otimização de tempo e redução de custos, nas operações de extração são realizadas avaliações detalhadas do comportamento do maciço rochoso antes e depois da detonação e as componentes dos métodos da escavação a fogo, para que posteriormente se possam determinar parâmetros geotécnicos das pilhas de estéreis e dos maciços rochosos circundantes planejados na detonação seqüencial. Para avaliar o anteriormente descrito, no presente artigo são caracterizados e classificados geomecânicamente os maciços de mineração a céu aberto, utilizando conceitos da geotecnia aplicada à mineração e da engenharia de minas. PALAVRAS-CHAVE: Geomecânica, Maciços Rochosos, Escavação a Fogo, Mineração a Céu Aberto. 1 INTRODUÇÃO Em mineração, a engenharia geotécnica, mais especificamente a mecânica das rochas, está relacionada ao estudo do maciço rochoso antes e depois da escavação a fogo no processo de beneficiamento ou extração do minério. Assim a fragmentação do material rochoso é um aspecto importante nas operações mineiras. Os equipamentos de carregamento de materiais atualmente são automatizados e as faixas transportadoras têm dimensões estabelecidas ou padronizadas. Dessa maneira é requerida uma especificação do tamanho médio para o material fragmentado. Para a extração do material rochoso, parte estéril e parte mineral com valor econômico, a escavação utilizando explosivos é o método mais comum para fragmentar e definir a nova geometria de taludes de lavras a céu aberto ou galerias subterrâneas escavadas em maciços rochosos. Um dos objetivos do presente trabalho é caracterizar o maciço rochoso para conseguir um adequado tamanho da rocha fragmentada, para que, posteriormente, as características geotécnicas e operativas das pilhas do material estéril cheguem às planejadas nas operações posteriores. Para a fragmentação do maciço rochoso com explosivos (TNT, ANFO, Plasma, etc) se requere o conhecimento das propriedades da rocha intacta e do comportamento do maciço. Diferentes efeitos podem ser causados por um planejamento de baixa qualidade que não contemple aspectos geotécnicos e geomecânicos e assim influi negativamente nas operações. Dessa forma, devem-se tomar medidas de controle no planejamento, como: (i) causar o menor dano possível aos maciços rochosos circundantes e obter a geometria planejada; (ii) obter uma adequada fragmentação para a disposição das pilhas de estéreis para as exigências das operações de mineração, carregamento, transporte, britagem, metalurgia. Dueñas e Meza (2003) apresentam um esquema de trabalho para conseguir este propósito, onde juntam diferentes areas dentro da operação minera: planejamento, geotecnia e produção (Figura 1). Figura 1. Interação de grupos de trabalho (modificado - Dueñas e Meza 2003).
2 CARACTERÍSTICAS DOS MACIÇOS ROCHOSOS 2.1 Localização Os maciços rochosos que serão utilizados na aplicação do presente artigo são, os correspondentes à mineração tipo cobre pórfiro, localizado no sul da Cordilheira dos Andes Ocidentais do Perú (Figura 2), a altura da cota máxima e mínima da lavra da mina está em aproximadamente, 3835 m e 2695 m acima do nível do mar, respectivamente. 2.2 Parâmetros Geotécnicos - Geomecânicos As componentes do maciço rochoso (rocha intacta e descontinuidades) têm importância no plano de fogo como também nos resultados da escavação. A litologia e os tipos de alteração influem diretamente nas propriedades físicomecânicas da rocha intacta e do maciço rochoso, desta maneira podem variar com as seguintes propriedades geomecânicas: Resistência (σ c e σ t ); Velocidades P e S (V p e V s ); Índice de qualidade de rocha (RQD); Dureza; Peso específico. Este artigo está baseado em ensaios de 12 amostras obtidas de testemunhos de sondagens rotativas. Os resultados da análise realizada nos dados de laboratório (Tabela 1), mostram que a resistência à compressão uniaxial dos testemunhos das zonas de alteração quartzosericita e de silicificação apresenta valores altos, porem em zonas de alteração argílica estes valores são baixos. Este fato é observado também nos fatores de detonação e no consumo do explosivo nas determinadas zonas, sendo maiores quantidades onde se tenha maior σ c. A resistência à compressão uniaxial e à tração, além de serem úteis para a classificação geomecânica dos maciços rochosos, indica para cada tipo de rocha, a facilidade deste material ser fragmentado, influindo diretamente no planejamento da malha de explosivos. Figura 2. Localização e maciços rochosos estudados. Tabela 1. Domínio do testemunho, alteração hidrotermal, resistência à compressão e à tração σ t. Número de Codigo Tipo de UCS (σ c ) σ t Domínio Rocha Alteração MPa MPa III BA_1 Argílica 19,37 10,01 III BA_2 Quartzo-Sericita 70,95 7,69 III BA_3 Argílica 54,26 13,73 V BA_4 Silicificação 105,09 9,67 V LP_1 Quartzo-Sericita 53,10 5,86 V LP_2 Quartzo-Sericita 93,29 4,82 V LP_3 Silicificação 101,00 2,63 V LP_4 Argílica 12,26 2,86 VI RP_1 Quartzo-Sericita 98,70 5,82 VI RP_2 Argílica 17,97 5,31 VI RP_3 Silicificação 123,87 10,13 VI RP_4 Argílica 41,82 8,70 O conhecimento das velocidades P e S com que a onda se propaga numa explosão através do maciço rochoso, é muito importante já que afeta diretamente a distribuição das tensões no interior do maciço rochoso, e indica a grandeza das descontinuidades dentro do maciço. Na Tabela 2 são apresentadas as velocidades de propagação P e S, juntamente com os módulos elásticos obtidos em laboratório para os diferentes tipos de rocha.
Tabela 2. Propriedades dinâmicas e módulos elásticos para cada tipo de rocha. Número de Código Vp Vs E υ Domínio Rocha m/s m/s GPa - III BA_1 2998 1724 14,11 0,277 III BA_2 2306 1245 20,21 0,239 III BA_3 2571 1477 18,08 0,249 V BA_4 2015 1158 41,38 0,191 V LP_1 1992 1195 16,42 0,248 V LP_2 2008 1141 41,86 0,213 V LP_3 2097 1237 35,31 0,228 V LP_4 1970 1172 35,23 0,294 VI RP_1 3158 1828 49,30 0,207 VI RP_2 2496 1370 36,73 0,143 VI RP_3 2535 1426 94,05 0,220 VI RP_4 2501 1429 28,63 0,297 De igual forma pode-se determinar a velocidade de propagação Vp, e o RMR (com dados de levantamentos geomecânicos e o RQD) para cada domínio definido (Tabela 3). Do ponto de vista da escavação a fogo, o maciço rochoso está governado essencialmente pelas descontinuidades ou outras estruturas geológicas, já que são estas que conduzem as ondas que produzem a explosão. Os resultados das escavações são mais influenciados pelas propriedades e estruturas do maciço rochoso que pelas características dos explosivos. Tabela 3. Vp, RMR e GSI por domínio geoestrutural. Domínio RQD RQD Vp Vp % % (media) m/s m/s (media) RMR GSI III 20 2998 III 53 2306 III 49 49 2571 2625 53,78 50,43 V 66 2015 V 57 1992 V 40 2008 V 70 2097 V 27 52 1970 2016 51,33 46,43 VI 52 3158 VI 18 2496 VI 71 2535 VI 28 42 2501 2673 55,72 50,24 Figura 3. Efeito das geoestruturas na fragmentação do maciço rochoso. Uma condicionante importante para o plano e escavação a fogo otimizada é estudar em que condições e em que densidades se encontram as descontinuidades dentro do maciço rochoso, sendo a ausência destas estruturas um fator limitante na fragmentação adequada. A direção (Figura 4) é um dos aspectos que tem mais influência no maciço rochoso, para o plano da malha de explosivos, podendo ter diferentes situações: Figura 4(A) e 4(B) a influência da velocidade das ondas é máxima quando o angulo de incidência com a face do talude da lavra é aproximadamente de 15 a 45 ; para a Figura 4 (C) e 4(D) a direção das descontinuidades é paralela com respeito aos taludes da lavra; nesta situação a influência da velocidade de propagação das ondas é mínima. Na Figura 4(D), a direção é muito desfavorável, produzindo fuga dos gases do explosivo, resultando assim em uma escavação defeituosa. 3 CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA COM FINS DE ESCAVAÇÃO A FOGO A Figura 3 mostra o efeito que causam as famílias de juntas ao redor de um furo de detonação e a forma da fragmentação obtida. Figura 4. Efeito da direção das descontinuidades na fragmentação do maciço rochoso.
Figura 5. Direções das principais estruturas no talude nordeste e noroeste da lavra da mineração a céu aberto. Na Figura 5 pode-se observar a direção das principais estruturas presentes para cada domínio definido anteriormente. O entendimento da geologia estrutural presente nos taludes de mineração contribuíra para a definição da malha adequada para a detonação, como também para a seqüência de escavação. Outra característica importante é a persistência das descontinuidades, já que influi no comportamento do maciço rochoso e na carga explosiva distribuída. A Figura 6(A) mostra que as descontinuidades não estão próximas ao furo de detonação, tendo como resultado uma fragmentação defeituosa, terá que se realizar uma detonação adicional, aumentando os custos de operação, já que a malha de explosivos deve ser mais densa. A Figura 6(B) mostra que quando as descontinuidades abarcam as proximidades do furo de detonação, a fragmentação é favorecida pelas descontinuidades. Com famílias de juntas densas, a malha de explosivos é mais ampla. Tabela 4. Combinações entre Sh, S e M (López 1994). S:Sh S:M Sh:M FSCE % de FP S > Sh S > M Sh > M Sim Media S > Sh S > M Sh < M Sim Baixa S > Sh S < M Sh < M Sim Baixa S < Sh S > M Sh > M Não Alta S < Sh S < M Sh < M Não Baixa S < Sh S < M Sh > M Não Baixa Obs: FSCE = Fragmentação sensível ao consumo do explosivo; FP = Fragmentação Previsível Figura 6. Efeito da persistência das descontinuidades na fragmentação do maciço rochoso. O espaçamento (S) entre as descontinuidades influencia a fragmentação, e também a distância entre furos de detonação (Sh), separação das descontinuidades (S) e o tamanho máximo do bloco admissível (M). A Tabela 4 mostra as
possíveis combinações e a influência na percentagem da fragmentação previsível. A quantidade volumétrica das descontinuidades (Jv) é outro parâmetro influente. A densidade das descontinuidades pode ser expressa por o número de estruturas por unidade de área ou de volume. Pode ser calculado o Jv com a Equação 1 proposta por Palmstrom (1995) a partir do RQD. RQD = 115-3,3Jv (1) A avaliação do resultado final de uma etapa de escavação é um procedimento importante, porem não garante uma correção ótima para a escavação seguinte, devido a que, o maciço rochoso é muito variável dentro de cada bancada. Assim é, necessária uma adequada caracterização continua do maciço rochoso por fragmentar, levando em conta também os equipamentos e os tempos de detonação. Com os levantamentos geomecânicos (janelas de amostragem) mais os resultados provenientes do laboratório, os maciços se classificaram com o RMR e o GSI (Figura 7). A relação entre o tamanho médio do fragmento e a energia (carga específica) foi proposta por Kuznetsov (1973) citado por Hustrulid e Kuchta (1995) em função do tipo de rocha. 0.8 0 1 / 6 QT T V Χ = A Q (2) onde: Χ = tamanho médio dos fragmentos (cm), A = BI = fator de rocha, V 0 = V= volume de rocha (m 3 ), Q T = Q= massa (kg) de explosivo. Para conhecer a distribuição da fragmentação relacionada com o tamanho da fragmentação é utilizada a equação de Resina- Rammler. R = e n Χ Χ c (3) onde X= tamanho da malha, X c = tamanho característico, n = índice de uniformidade, R = proporção do material retido na malha, Devido à complexidade da fragmentação por efeito da escavação, as equações 2 e 3 foram combinadas para obter-se o modelo de Kuz- Ram. 115 E 0.8 0.167 0.633 50 A( ) Q ( ) X = V Q (4) Figura 7. GSI dos domínios dos maciços rochosos a ser escavados a fogo (modificado Hoek, 1998). 4 PREVISÃO DA FRAGMENTAÇÃO Do ponto de vista geotécnico, o objetivo da escavação a fogo, é ter uma adequada fragmentação do maciço rochoso, já que todas as decisões técnicas, custos de escavação, eficiência operacional, produtividade e desempenho dos equipamentos estão relacionados a uma ótima fragmentação. onde E = energia relativa do explosivo. Como A=BI, Lilly (1992) citado por Hustrulid e Kuchta (1995) propõe para o cálculo do BI (Blastability Index) a Equação 5, onde são utilizados parâmetros geomecânicos tabulados na publicação do mencionado autor. A=BI=0,06(RMD+JPS+JPO+SGI+RSI) (5) onde RMD = descrição do maciço rochoso, JPS = espaçamento entre descontinuidades, JPO = direção das descontinuidades, SGI= influência do peso específico, RSI= raio de influência. O índice BI ou A do maciço é utilizado para determinar os consumos específicos de explosivos (CE) e os fatores de energia.
CE estimado =-0.0328BI 2 +0.4108BI 0.8976 (6) A aplicação das Equações 2 a 6 utilizando informações de geomecânica dos maciços rochosos descritos no item 2, são mostrados na Tabela 5. Uma das possíveis formas de avaliar o resultado da fragmentação pode ser comparando as curvas granulométricas previstas com as obtidas, sendo necessárias avaliações permanentes nos resultados antes e depois da detonação, de tal maneira que se possam sistematizar resultados e assim se consiga a otimização do processo mineral. Tabela 5. Avaliação dos domínios geoestruturais para a previsão da fragmentação depois da detonação. Codigo RSI BI Detonação RMD JF Dominio SGI JPS JPO BI médio CE (kg/ton) T8318 16 10 30 17,8 4,028 4,667 T8319 14 20 30 20,9 4,028 5,336 III T8320 13 20 10 17,8 6,028 4,007 4,670 0,305 N8311 16 10 20 17,8 4,028 4,067 N8312 15 20 10 18,9 4,028 4,073 N8313 14 10 30 17,8 4,028 4,547 V N8314 18 10 30 20,9 1,778 4,841 N8315 14 20 20 17,8 4,028 4,547 4,415 0,277 N8333 16 10 20 17,8 4,028 4,067 N8334 14 10 10 17,8 2,528 3,257 VI N8318 14 10 20 14,3 3,828 3,725 N8319 14 10 20 18,9 3,528 3,983 3,758 0,183 5 CONCLUSÕES Através dos resultados obtidos na Tabela 5, é possível calcular o tamanho médio das partículas fragmentadas do maciço rochoso (granulometría) utilizando simplesmente a Equação 4, desde que se conheça o fator de rocha (A=BI) e a quantidade de explosivo (CE kg) por tonelada de material para cada maciço rochoso dos domínios geoestruturais estudados. Só se precisaria definir qual é o volume que se deseja escavar e a energia relativa do explosivo (dado fornecido pelo fabricante), para assim obter finalmente uma adequada detonação, uma estimativa dos parâmetros geotécnicos e, conseqüentemente, otimizar o processo de beneficiamento mineral. A caracterização e classificação geomecânica de maciços rochosos é utilizada principalmente para o estudo da estabilidade dos taludes em mineração a céu aberto porém, também é muito importante no planejamento da escavação a fogo, fornecendo informações sobre certos parâmetros importantes, tais como o espaçamento, direção e persistência das descontinuidades contribuindo decisivamente para o êxito da detonação. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao Engenheiro Geotécnico Senior Luis C. T. Alvarez da SMCV Mineração (Perú), pelo fornecimento dos dados básicos para a realização deste artigo. Também se agradece a CAPES pelo suporte financeiro ao autor. REFERÊNCIAS Dueñas, J. e Meza, P. 2003. Geomecânica da Mineração Cerro Verde (em espanhol) XXIII Convención Minera EXTEMIN, Instituto de Ingenieros de Minas del Perú, Arequipa, Perú, 16 p. Goldman, V. J., Tsui, D. C. e Cunningham J.E. 1987 Blastability in Tunneling Structures, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA, 1256 p. Hoek, E. 1998. Rock Engineering-The Application of Modern Techniques to Underground Design, Notes From a Short Course. ABMS-CBMR-CBT, São Paulo, SP, 268 p. Hoek, E. 2000, Practical Rock Engineering An Ongoing Set of Notes, Rocscience website, Disponível em: <http://www.rocscience.com> Acceso em: Outubro 2005. Hustrulid W., Kuchta M. (1995). Open Pit Mine Planing and Design-Fundamentals, A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfields, The Netherlands, Vol.1, 636 p. Lopez, C. (1994). Escavação a Fogo em Rochas (em espanhol), Instituto Tecnológico Geominero de España, Espanha, 544p Palmström, A. 1995. RMi A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes, PhD thesis, Oslo University, Norway, 400 p. Rippere, R, Yonglian, S. e Tejada, L. 1999. Geotechnical Monitoring and Modeling at Cuajone Open Pit Mine International Symposium on Mining Science and Technology, China. 10 p. Segui, J.B. 2001. Asymetric Blasting: A Rock Mass Dependent Blast Design Method, EXPLO 2001, Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre, 1-6 pp. Tejada-Cervantes, L.M. 2006. Estabilidade de Taludes de Grande Porte de Mineração a Céu Aberto, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil & Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil, (em andamento).