Gustavo Sampaio Lopes
gustavoslufop@gmail.comOrientadora: Profa. Dra. Barbara Trzaskos (Departamento de Geologia/ UFPR) Coorientador: Prof. Dr.rer. nat. Germán Vinueza (Departamento de Geologia/ UFPR)
Palavras-chave: desmonte de rochas; geomecânica; onda elementar
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, dentre alguns obstáculos para a alta produtividade em empreendimentos de mineração chamam a atenção: o valor mais baixo dos metais, o alto custo de diluição e o decrescente teor dos depósitos minerais. Dentre todas as demandas das atividades mineiras, a estabilidade dos taludes remanescentes, objeto de estudo desse trabalho, e o cumprimento da linha de avanço planejada são de suma importância para a explotação mineral eficiente e segura.
Para a preservação dos taludes deve-se entender melhor a geração de danos nas paredes remanescentes. Assim, para se obter a mitigação dos efeitos gerados pelas detonações é necessário criar modelos representativos que combinem os fatores geomecânicos do maciço rochoso lavrado com os parâmetros considerados para sua detonação, para assim dimensionar planos de fogo que atendam aos requisitos de avanço e estabilidade dos taludes construídos.
Este trabalho busca suprir a necessidade de uma mina no Brasil, onde se tem o desafio de obter paredes mais estáveis que cumpram a linha de avanço planejada. Pretende-se criar um método que possa ser replicado em toda a mina, gerando e analisando um modelo de atenuação de vibrações e onda elementar (onda sísmica gerada por um único furo carregado com explosivos) representativo de um dos domínios litológicos da mina. A partir da criação deste modelo de simulações, realizaram-se analises de diversos desenhos de fogo, buscando aquele que induza o menor dano às paredes, cumprindo a linha de avanço planejada. Além disso, validou-se tal modelo pela avaliação, em campo, da relação entre vibração e dano por meio da filmagem no interior de furos perfurados a montante de dois desmontes realizados: o primeiro com o plano de fogo atual da mina e o segundo com o novo plano, proposto de acordo com o modelamento executado.
2. OBJETIVOS
Este projeto tem por objetivo compreender a resposta dinâmica dos maciços rochosos, bem como a propagação de onda induzida por detonações usando monitoramentos sismográficos, modelos matemáticos propostos na literatura e simulação computacional baseada no método de Onda Elementar e nos valores de velocidade de vibração crítica. Especificamente pretende-se elaborar um modelo que caracterize o fenômeno de propagação e atenuação de ondas mecânicas através da rocha para, assim, caracterizar a zona de dano nela causada pelo desmonte, gerando como produto final planos de fogo que atendam as necessidades quanto ao cumprimento da linha de fase planejada.
3. METODOLOGIA
A metodologia foi definida de maneira a propiciar a geração de um modelo de danos representativo, com base na determinação da velocidade de vibração de partícula crítica característica do maciço rochoso estudado, para simular e testar diferentes planos de fogo. O modelo gerado pode ser calibrado a partir do imageamento dos furos de controle perfurados a montante dos desmontes e da consequente determinação in situ dos danos induzidos ao maciço. Assim, foi escolhida a área de estudo, de acordo com a disponibilidade operacional da mina, seguida pela caracterização em campo do maciço rochoso e domínio litológico a ser estudados (classificação geomecânica e captura de ondas sísmicas por meio de uso de geofones e cargas explosivas conhecidas), construção do modelo de dano e onda elementar,
simulações de diferentes planos de fogo (parâmetros que mais afetam o maciço) e desmontes testes (verificação da representatividade do modelo). Desta forma foi possível entender o comportamento do dano induzido na região estudada da mina. A figura 1 ilustra essa metodologia.
Figura 1. Fluxograma da metodologia utilizada nesse estudo
Esse trabalho foi conduzido na região entre o cratón Amazônico a noroeste e o São Francisco a sudeste e no norte-nordeste com o arco Mara Rosa. Essa área é compreendida por rochas metaplutônicas de granulação média a grossa de rochas com composição diorítica a tonalítica mostram localmente texturas plutônicas bem preservadas, como enclaves e porfiríticas. (Miranda et. Al., 2018)
Toda a caracterização geológica da área (estrutural, regional e local) foir realizada com base em revisões de publicações disponíveis na literatura sobre a região.
4. RESULTADOS
Apresentam-se a seguir, de forma sucinta, os resultados dos testes de campo e das simulações computacionais.
4.1 ESTUDO DE SÍSMICA EM CAMPO CURTO E ENTENDIMENTO RELAÇAO EXPLOSIVO MACIÇO Foi possível medir registros de ondas elementares em campo curto, em dois geofones cimentados dentro de furos no domínio litológico estudado, os quais carregam informações importantes para este estudo. Com os dados capturados foi possível obter um valor médio da 𝑉𝑝 (velocidade de propagação de onda primária) de 4926 m/s. Tal valor, consideravelmente alto, indica alta competência do meio, corroborada pelas informações geomecânicas do maciço. Assim, utilizando a equação 1, foi possível determinar a velocidade de vibração de partícula crítica característica desse maciço rochoso. O valor encontrado para o biotitito nas condições apresentadas foi 897 mm/s.
PPVc =σt× Vp E
(1)
Onde PPVc corresponde à velocidade de vibração de partícula crítica [m/s], σt é a resistência a tração da rocha intacta [Mpa], Vp a velocidade de propagação de ondas primárias [m/s], E o módulo de elasticidade ou módulo de Young [Mpa]. De acordo com Adamsom & Scherpenisse (2000) é esperada a dilatação e/ou abertura de fraturas quando a vibração atinge a faixa entre 1 e ¼ da PPVc e sobreescavação quando o nível de vibração induzido pelo desmonte excede em 4 vezes a PPVc. Estas foram as métricas utilizadas de dano induzido neste trabalho.
Prosseguiu-se com a criação do modelo de atenuação de vibrações característico das ondas capturadas em campo. Para isso se computou a distância de cada carga explosiva até o geofone utilizando as coordenadas de GPS fornecidas pelo staff da mina. Seguiu-se com o cálculo da distância escalonada, conforme proposto por Devine et al. (1966), utilizando a soma vetorial dos três componentes da vibração medidos com o geofone triaxial (Longitudinal, Transversal e Vertical).
Uma vez obtidos os valores de distância e distância escalonada (distância/raiz da carga explosiva) de cada furo ao geofone e medidas as respectivas PVS1 determinaram-se as constantes K e n por meio de regressão estatística.
A equação característica é destacada pela equação 2. Sendo assim o valor de K encontrado é 725 e o valor de n é -1,81 e o coeficiente de correlação (R²) de 0,92, indica um alto grau de representatividade da curva.
PPV = 725 × ( D √W)
−1,81 (2)
4.2 SIMULAÇÕES E RECONHECIMENTO DOS PARÂMETROS DO PLANO DE FOGO QUE MAIS AFETAM O TALUDE
Com o modelo de atenuação de vibrações representativo do maciço em estudo, as ondas elementares capturadas com seus respectivos parâmetros característicos e os valores de PPVc como referência foi possível iniciar as simulações, que envolveram a variação dos parâmetros de fogo, respeitando as restrições operacionais locais e o tipo de explosivo disponível (apenas emulsão gaseificada):
O tamanho dos desmontes; A geometria da malha;
O diâmetro de perfuração (171 ou 215 mm); O tamanho do banco (10 ou 20 m);
A configuração de carregamento (utilização de amortecimento); A temporização e sequenciamento.
Para cada situação foram criados mapas de calor em função da PPV encontrada, ponto a ponto, em comparação com a PPV crítica. Assim, se quantificou a zona alterada no maciço onde se esperava até ¼ da PPV crítica, que é onde ainda se tem alguma extensão de fraturas pré-existentes. A tabela 1 ilustra os diferentes cenários, detalhando o que foi mudado em cada uma das simulações, tendo o cenário A como base para as análises.
Tabela 1. Cenários simulados no modelo de atenuação de vibração e onda elementar.
Diâmetro (mm) Afastamento (m) Espaçamento (m) N Filas Altura do banco (m) Linhas de amortecimento Temporização A 171 4 4,5 8 10 0 Perpendicular B 171 4 4,5 10 10 0 Perpendicular C 171 4 4,5 12 10 0 Perpendicular D 171 4 4,5 8 10 0 Paralelo E 171 4.8 5.5 8 10 0 Perpendicular F 215 4.8 5,5 8 10 0 Perpendicular G 171 4 4,5 8 20 0 Perpendicular H 171 4 4,5 8 10 1 Paralelo I 171 4 4,5 8 10 2 Paralelo
Em vista dos resultados esperados de dano esperado em função da PPVc foram gerados mapas de calor para cada um dos cenários a fim de entender a extensão do dano em função da vibração esperada. Os
1 PVS: Peak Vector Sum, corresponde à Velocidade de Vibração de Partícula Resultante de Pico (VR), definida pela NBR 9653 (ABNT, 2018) como o máximo valor obtido pela soma vetorial das três componentes ortogonais simultâneas de velocidade de vibração de partícula.
resultados de cada cenário foram comparados para determinar, dentro dos parâmetros analisados, aqueles que mais contribuem para a extensão do dano ao maciço rochoso, como detalha a tabela 2.
Tabela 2. Comparativo entre a extensão de dano esperado para os diferentes cenários.
Ext. dano (m) Redução Razão de H
A 17.7 - 1.8 B 17.9 -1% 1.8 C 17.4 1% 1.7 D 16.5 7% 1.6 E 16.6 6% 1.7 F 20.0 -13% 2.0 G 21.7 -23% 1.1 H 13.1 26% 1.3 I 10.1 43% 1.0
Foram executados dois desmontes testes com dois diferentes cenários: A e H. Nesses desmontes foram gerados mapas de calor para análise de vibração de acordo com o modelo e perfurados furos para filmagem e inspeção a montante dos polígonos do desmonte. Nestas inspeções registraram-se o estado do maciço antes e após a detonação, permitindo correlacionar o aparecimento de novas fraturas ao dano gerado pelos desmontes.
A figura 1 ilustra o polígono desmontado no primeiro teste, com o plano de fogo referente ao cenário H, e o respectivo mapa de calor, mostrando a localização dos furos de inspeção (furos na parte de traz do polígono) e em preto o talude remanescente após o desmonte, assinalando uma boa aderência entre o esperado e o real.
PPV (mm/s)
PPVc/4 PPVc 2xPPVc 4xPPVc 8xPPVc
224 897 1794 3588 7176
Figura 1. Em A) croqui do polígono a ser desmontado destacando em preto família de fraturas com direção de mergulho 144/32 e espaçamento médio de 50 cm, em vermelho 208/80 e 150 cm de espaçamento e em azul 315/60 espaçamento de 50cm. Em B) mapa de calor de vibrações mostrando o dano esperado do Polígono 190215_260_CN.
A figura 2 ilustra as capturas de imagem obtidas enquanto inspecionando o primeiro furo. Vale destacar que essas imagens são do primeiro terço do furo, área já alterada por desmontes no banco superior.
Figura 2. Danos mais críticos identificados no primeiro terço furo de prova 1.
O mesmo procedimento foi realizado no segundo desmonte teste. Desta vez, devido ao não uso de amortecimento, obteve-se um fraturamento muito intenso, que ocasionou o colapso do primeiro furo de inspeção. A figura 3 mostra o mapa de calor deste desmonte, destacando em preto o talude remanescente, mostrando uma grande discrepância entre o talude planejado e o executado.
PPV (mm/s)
PPVc/4 PPVc 2xPPVc 4xPPVc 8xPPVc
224 897 1794 3588 7176
Figura 3. Mapas de calor de vibrações mostrando o dano esperado do polígono 190215_260_CN.
Os resultados obtidos nestes desmontes mostram uma forte correlação entre o modelado e o realizado, validando os valores apresentados na tabela 2. A modelagem se mostrou uma ferramenta útil para predição de dano induzido na região estudada.
5. CONCLUSÕES PRELIMINARES
Em vista das análises de contagem de fraturas geradas pelos desmontes analisados na mina em estudo, percebeu-se um alto grau de correlação entre o modelo e o real. Esse fato torna o modelo uma ferramenta útil na predição dos níveis dos danos gerados pelo desmonte.
Os resultados das simulações detalhados pela tabela 2 servirão de base para o dimensionamento dos planos de fogo a serem usados rotineiramente no domínio litológico estudado. Esses planos serão gerados de maneira que se reduza o máximo possível a extensão do dano, não esquecendo da viabilidade econômica.
A metodologia aqui apresentada se mostra viável, exequível e útil para os desafios encontrados na mineração referente à estabilidade de taludes frente às detonações para retirada de minério. Como passo seguinte deste estudo, recomenda-se a aplicação em diferentes litologias na mina e assim reforçar ainda mais as discussões aqui levantadas.
Referências Bibliográficas
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. 2018. NBR 9653: Guia para avaliação dos efeitos provocados pelo uso de explosivos nas minerações em áreas urbanas (+Errata). Rio de Janeiro, 16 p (+2 p). ADAMSON, W.R.; SCHERPENISSE, C.R. 2000. The measurement and control of blast induced damage of final pit walls in open pit mining. International Society of Explosive Engineers, p. 539-554.
DEVINE, J.F.; BECK, R.H.; MEYER, A.V.C.; DUVALL, W.I. 1966. Effect of Charge Weigth On Vibration Levels From Quarry. United States Department of The Interior. Washington USA, 37 p.
MIRANDA, H.M; MOORE, C. M.; PATEL, A.; PIGNATARI L. E.C; 2018. Technical Report on the Chapada Mine, Goias State, Brazil. Toronto, CA, 7-1 p.
Dados Acadêmicos
Modalidade: Mestrado - Qualificação. Data do Exame de Qualificação: (06/2020)
Título original do Projeto de Pesquisa: A dinâmica das rochas e a propagação de vibrações induzidas.
Data de ingresso na Pós-Graduação: 04/2019; Área de Concentração: Geologia Exploratória; Linha de Pesquisa: Análise de Depósitos Minerais.