DEMIN/EM/UFOP MIN 746 Estabilidade de Escavações Subterrâneas. Prof. José Margarida da Silva junho/2010

DEMIN/EM/UFOP

MIN 746

Estabilidade de Escavações

Subterrâneas

Prof. José Margarida da Silva

junho/2010

Sumário

• Geomecânica

• Mecânica das Rochas

• Definições e terminologia

• Tensões em maciços rochosos

• Impactos das escavações subterrâneas

• Suportes naturais e artificiais

• Monitoramento

• Seleção de suporte

Introdução:

Geomecânica

• Estuda o comportamento de todos os

materiais presentes na crosta terrestre.

• Mecânica das Rochas

: estuda o

comportamento dos maciços rochosos em

relação a forças externas; na mineração:

escavações.

• Mecânica dos Solos, Geologia de

Engenharia,...

Introdução

Trabalhos em minas subterrâneas - grandes aspectos de segurança:

• segurança estrutural (técnica) das aberturas, envolvendo tetos, pisos, paredes e pilares;

• segurança ambiental, que se refere à criação e manutenção de um ambiente de trabalho

confortável e adequado à execução das tarefas pertinentes ao empreendimento.

• A preocupação ambiental, em sentido amplo, inclui a preocupação com a segurança.

Princípios éticos fundamentais

• Segurança,

• Economia,

Mecânica de Rochas

• A Mecânica de Rochas está relacionada com as propriedades mecânicas e o comportamento

das rochas, isto é, como a rocha responde quando sujeita a um campo de forças.

• Este campo pode ser induzido pela escavação de uma abertura produzida por meios

mecânicos.

• Isto é de fundamental importância em

mineração porque a rocha é o principal material de construção e também o principal produto do processo de escavação.

Mecânica de Rochas

• Engenharia de Minas: interessada no comportamento mecânico do maciço rochoso quando se realizam

escavações no mesmo, isto é, parte deste é aliviado.

• Engenharia Civil: interessada nas modificações que se introduzem quando o maciço é carregado pela presença de uma barragem, edifício etc.

• Esses problemas quase opostos podem ser equacionados conforme:

• quais as tensões atuantes no maciço original?

• quais as alterações das tensões introduzidas pela escavação ou obra?

Mecânica de Rochas

• A rocha constitui um caso particular de material de engenharia.

• Nas construções com materiais artificiais, a

resistência dos materiais é composta em função das necessidades de resistência aos esforços que lhe serão aplicados.

• Já na rocha, a resistência lhe é intrínseca e as tensões existem independentemente de outras cargas externas que lhe sejam aplicadas.

• Diante desta limitação e mais os custos

proibitivos em que incorreria obter-se um projeto de construção pronto na prancheta, existirão

fases de projeto, e mesmo de produção, que

Mecânica das Rochas

Estabilidade das escavações subterrâneas: • se os maciços rochosos têm determinadas

características de resistência;

• se as aberturas possuem certas formas

geométricas e não excedem determinadas dimensões.

Mesmo em tais casos, deve ser considerado: • a expansão da rocha no sentido dos vazios,

• devido às respectivas características reológicas, as deformações correspondentes

Mecânica das Rochas

• Ações de suportes artificiais e de revestimentos das cavidades podem ser muito variadas,

dependendo dos tipos de solicitações que sobre eles exercem os terrenos.

Solicitações:

• que resultam de simples ações de peso do material descomprimido, correspondente às zonas aliviadas de tensões da vizinhança dos vazios – em geral, susceptíveis de serem

controladas,

• que provêm diretamente dos campos de

tensões instalados - controladas, em regra,

quando os campos de tensões, instalados nos terrenos antes da abertura das cavidades, têm intensidades reduzidas.

Mecânica das Rochas

• Indispensável conhecimento do intervalo

de tempo

durante o qual se pretende que

escoramentos ou revestimentos exerçam

convenientemente suas funções.

• Desse tempo depende, geralmente, a

importância da deformação dos terrenos

a

que se aplicam e, portanto,a intensidade

máxima das reações que têm de suportar.

Definições; terminologia

• “escoramento” ou

“sustentação”

-engloba uma série de técnicas que utilizam elementos de madeira, metálicos ou de concreto (armado ou não), destinados a aumentar a segurança de cavidades.

Definições; terminologia

Sistemas de escoramentos:

• desde simples elementos isolados (destinados a segurar blocos

individualizados) até

revestimentos completos da

periferia dos vazios (se a rocha que os circunda é pouco coerente ou se encontra muito fraturada).

• Rock support: elementos externos;

• rock reinforcement: elementos internos.

Terminologia

Estrutura

todo arranjo espacial de elementos físicos, compostos de qualquer material, capaz de

resistir a esforços solicitantes em um horizonte previsto de tempo, com um dado fator de

segurança e sofrendo deformação entre limites pré-determinados;

Terminologia

Dimensionamento de uma estrutura:

definição das dimensões elementos que a

compõem, para que possam resistir aos

esforços solicitantes, conhecendo-se:

• os valores destes esforços,

• os limites aceitáveis de deformação,

• o tempo

previsto de

sua utilização,

• o fator de segurança desejado ou

Tensões em maciços rochosos

• Maciço rochoso

: rocha + descontinuidades

+ água.

Tensão:

• relacionada à tendência de deslocamento

relativo das partículas de um corpo, em

função de solicitações externas;

• grandeza que

depende do plano

considerado

;

Tensões

• Maciços rochosos

: comportam-se como

descontínuos; meios anelásticos.

• Müller (1963): redução de até 1/30 na

resistência da rocha devido à existência

de planos de fraqueza.

Estado de tensões

• O estado de tensões no interior de um

maciço rochoso varia, geralmente, de

ponto a ponto: valor e direção das

componentes principais que o definem.

• maciço virgem

: não está submetido

somente a esforços verticais, mas a um

sistema triaxial de tensões.

• antes de ser escavado: tensões naturais

ou tensões “in situ”.

Tensões induzidas

• Escavação: ocorre modificação no estado natural de tensões, com redistribuição de tensões no maciço circunvizinho (tensões induzidas) .

• Limite: “arco de pressão”.

• Ruptura: no caso geral, devida a esforços de flexão ou de cisalhamento, porque a resistência da rocha a estes tipos de solicitação é muito menor do que à

Tensões em maciços

• Maciço regular e homogêneo: pode ser adaptado a

modelo clássico da Mecânica de Rochas (fornece, pelo menos, o sentido e a ordem de grandeza dos

fenômenos); o mais simples é o modelo elástico. • Rocha não homogênea: pode se tentar assimilar o

maciço rochoso a um outro modelo teórico (plástico, elasto-plástico etc).

Regra de Heim

• Heim, em 1912: maciços rochosos seriam

incapazes de suportar grandes diferenças de tensões.

• Associando-se aos efeitos de deformação

dependentes do tempo, levaria a um campo de tensões naturais, onde as componentes vertical e lateral tenderiam a se igualar (campo uniforme de tensões), ao longo do tempo geológico.

• Hoek & Brown (1980): sugestão de Heim é aplicável a rochas incompetentes, como é o caso de carvão e evaporitos.

Impactos ambientais

Impactos ambientais da lavra subterrânea:

• impactos no depósito mineral e rochas encaixantes,

• impactos nas escavações no subsolo, • impactos na superfície do terreno.

• impactos lavra subterrânea-drenagem ácida, subsidência, rock bursts.

Drenagem Ácida

Lavra de materiais sulfetados - pode

ocasionar

formação de águas ácidas,

pela oxidação dos sulfetos

; estas

águas

devem

ser

tratadas

e

neutralizadas (aumento do pH),

antes de serem lançadas ao meio

ambiente.

Uma das formas de mitigação:

produção de ácido sulfúrico.

Subsidência

• Subsidência: conjunto de movimentos

descendentes do maciço rochoso, dependente do tempo, em direção ao centro de uma

abertura subterrânea;

• deve-se principalmente à tendência das rochas de preencherem os vazios criados pelas

aberturas, principalmente após o seu colapso. • É um problema potencial que, não controlado,

pode levar a um dano superficial de grande escala.

Subsidência

• Para que ocorra subsidência na superfície, é necessário que determinadas dimensões

críticas das aberturas subterrâneas sejam ultrapassadas;

• A região afetada pode ser esquematicamente relacionada a um tronco de cone invertido que se alarga do interior do maciço rochoso para a superfície.

• A forma na superfície é geralmente uma elípse, com eixo maior paralelo à direção do avanço da lavra.

a = ângulo de máxima influência

Perfil de subsidência

A profundidade e a extensão da bacia de

subsidência dependem:

• da potência e do mergulho do corpo lavrado, • da profundidade e das dimensões da

escavação,

• dos tipos de suporte empregados,

• da velocidade de avanço das frentes de lavra, • do tempo,

• do condicionamento geológico presente no maciço rochoso.

Subsidência máxima

e Largura crítica

Peng (1992) relaciona a subsidência máxima (S), a

potência do corpo (m), o fator de subsidência (a) e o ângulo da direção da abertura com a horizontal (a):

S = a m cos a

Se cos a = 1 ---S = a m

Largura crítica:

w_c = 1,4 h

Mina de Kiruna (Suécia)

Sismicidade em minas

Dos 5 tipos de atividade humana que podem afetar a sismicidade, três estão ligados à mineração: explosão subterrânea, lavra de pedreiras, extração de líquidos (obsis.unb.br, 2009).

Algumas minas começaram a enfrentar este problema, realizando trabalhos de

Rock bursts

• À medida que as escavações subterrâneas atingem determinadas dimensões críticas, as

intensidades dos novos campos de tensões que se instalam nos seus contornos podem exceder os limites de resistência da rocha, levando o

maciço à cedência ou ruptura, do que resultarão

deformações locais e a correspondente dissipação das mesmas.

• Fenômenos semelhantes a céu aberto

(Pomeroy et al, 1976; Cook, 1976;Silveira, 1987)

Caracterização do fenômeno

• Quando a dissipação (liberação) de energia

armazenada num maciço rochoso se processa

de maneira relativamente rápida e violenta, o fenômeno é designado, genericamente, por “explosão de rocha”.

• Este fenômeno se caracteriza pela influência acentuada de ações de corte e ocorre, quando da abertura de escavações subterrâneas.

Efeito de “escorva”

O “efeito de escorva” pode se originar através de: • ondas de choque decorrentes de detonação de

explosivos;

• elevação de temperatura das rochas; • presença de água;

• ruptura de um suporte; • explosão de gases;

• execução de uma abertura;

• as próprias ondas de uma outra explosão de rocha.

Projeto de suporte

Escolha do suporte

fatores fundamentais:

• custo,

• comportamento do subsolo,

• método de lavra a ser empregado.

O principal objetivo no projeto de um suporte

subterrâneo é ajudar o maciço a se auto-suportar.

Classificação de estruturas

Suporte: conjunto de elementos resistentes que se empregam para controlar a deformabilidade e

contrariar os fenômenos de ruptura localizada em aberturas subterrâneas.

• provisórios ou definitivos; • contínuos ou descontínuos;

• compressíveis ou praticamente indeformáveis (rígidos).

Exemplos de suportes descontínuos: pilares naturais,

esteios, pilhas, quadros,

Revestimentos

Revestimento: obra de recobrimento de zonas mais ou menos extensas da periferia das

escavações, com finalidade de impedir o

desprendimento de pequenos blocos de rocha e de regularizar e mesmo impermeabilizar os seus contornos.

Exemplos de suportes contínuos: revestimento contínuo de galeria em maciço fraturado por concreto projetado ou pré-moldados de

concreto armado; pranchões de madeira (entre quadros ou arcos); concreto projetado e tela

(associados a tirantes); quadros justapostos; chapas unindo quadros, com a estrutura

resultante exercendo em alguns casos funções de suporte e revestimento.

Tratamento ou reforço

Tratamento ou reforço: técnica de consolidação do maciço rochoso pela melhoria de sua:

• resistência,

• deformabilidade

• e/ou impermeabilidade.

Exemplos: Injeções, congelamento de terrenos e, para alguns, as ancoragens.

Últimas décadas: aperfeiçoamento das

ancoragens, substituição progressiva da madeira e outras técnicas ou materiais;

aparecimento dos cartuchos, “cable bolt” e

associação de concreto reforçado, parafuso e telas.

Dimensionamento

de pilares e das câmaras (Hoek e Brown, 1980)

Tirante expansivo Swellex

• Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, ativa;

• Vantagens: alta capacidade de ancoragem,

rapidez e simplicidade de instalação, dá suporte imediatamente após a instalação, provê alguma protensão;

• Desvantagens: requer dispositivos para

instalação, a corrosão é crítica, custo relativo elevado;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem –

13tf; diâmetro do tubo- 26mm; diâmetro do furo – 33 a 39mm; comprimento- 1,5 a 8m, pressão da água – 300bar (~ 306kgf/cm2_).

Parafuso expansivo Hydrabolt

• Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, ativa;

• Vantagens: média capacidade de ancoragem, instalação é feita com equipamento próprio da mina, ganhando-se em rapidez;

• Desvantagens: corrosão é crítica, menor faixa de comprimentos disponíveis;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – 7 a 11tf; diâmetro da haste – 16, 17,19,21,25mm; diâmetro do furo – 33 a 39mm;

Cavilha Split-set

• Características: ancoragem interna, mecânica, coluna total, passiva;

• Vantagens: simplicidade e facilidade de

instalação, dá suporte imediatamente após a instalação;

• Desvantagens: baixa capacidade de

ancoragem, não provê protensão, diâmetro do furo é crítico, a corrosão é crítica, custo relativo elevado;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – 3,8 a 5,5tf; diâmetro do tubo – 32 a 41mm; diâmetro do furo – 33 a 39mm; comprimento-0,4 a 3,6m.

Tirante com cimento

• Características: ancoragem interna, química, coluna total, passiva;

• Vantagens: custo moderado (equivale ao

split-set), alta capacidade de ancoragem,

simplicidade de instalação, não há perda de protensão com vibrações de detonações, alta resistência à corrosão, facilidade de

preparação da barra, não exige rigor no diâmetro do furo;

• Desvantagens: tempo de cura maior que 2h, necessidade de armazenagem adequada, tempo de estocagem limitado;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – acima de 14tf; diâmetro da haste – a partir de 13mm; diâmetro do furo – 32 a 38mm;

Tirante com resina

• Características: ancoragem interna, química, coluna total, ativa ou passiva;

• Vantagens: flexibilidade, alta capacidade de ancoragem, não há perda de protensão com vibrações de detonações, alta resistência à corrosão, suporte imediato (PUR/PR);

• Desvantagens: custo relativo alto, requer

treinamento prévio de mão-de-obra, necessita de armazenagem adequada, tempo de

estocagem limitado;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – acima de 17tf; diâmetro da haste – 17 a 25mm; diâmetro do furo – 26 a 34mm, comprimento – variável; pegas: PUR, PR, PM, PL.

Cable bolt

• Características: ancoragem interna, química, coluna total, passiva ou ativa;

• Vantagens: custo baixo, alta capacidade de ancoragem, elevada resistência à corrosão, variedade de

comprimento, de altura da escavação, do tipo de escavação – temporária ou permanente;

• Desvantagens: tempo de cura 24h, tensionamento não é simples;

• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – acima de 17tf; diâmetro do cabo – ¾” a 5/8”; diâmetro do furo – 40 a 45mm; comprimento - variável.

Aplicação de cable bolt prévio à lavra - a colocação em alargamentos de corte e enchimento na Mina Campbell (Borchier e outros, 1992 apud Hoek e outros, 1995).

Classificações geomecânicas

• De uma forma geral, dão, em função da classe definida para o maciço, a partir de determinados parâmetros, indicativos do vão máximo sem suporte, do tempo de auto suporte e da estrutura mais adequada de

sustentação.

• O objetivo é processar informação sobre propriedades do material rochoso, características de descontinuidades e geometria de escavação para obter valores

representativos que propiciem uma base racional para decisões acerca da engenharia de rochas.

• Os sistemas mais utilizados são o RMR - Rock Mass Rating, proposto por Bieniawski (1973) e o Q,

desenvolvido por Barton e outros (1974).

• Bieniawski (1989): descrição detalhada de outros sistemas de classificação de maciços rochosos. • Modificações posteriores e adaptações locais.

DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES

• O DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES EM MINAS NAO TEM MERECIDO O DESENVOLVIMENTO

TEORICO E PRATICO DESEJAVEL EM MUITAS ABORDAGENS CORRENTES DA MECANICA DE ROCHAS.

• SEUS PRINCIPIOS DE DIMENSIONAMENTO E

ESCOLHA ESTAO, NAO RARAMENTE, CONTIDOS EM MANUAIS OU PROGRAMAS FECHADOS DE COMPUTACAO QUE SAO, MUITAS VEZES,

CONSULTADOS SEM OS NECESSARIOS CRITERIOS

TEORICOS QUE DEVEM BALIZAR A DECISAO

Abordagens de dimensionamento

• Tempo de auto suporte (Barton);

• Malha de tirantes e cabos e comprimento

- Mathews – Potvin;

Conceitos

O que pode ser monitorado numa mina subterrânea: • ruptura da rocha no contorno da escavação;

• movimento ao longo de uma descontinuidade;

• deslocamento relativo entre dois pontos no contorno da escavação (convergência);

• deslocamentos no interior do maciço, fora do contorno da escavação;

• deslocamentos da superfície (subsidência); • mudança da inclinação de um furo (desvio); • nível de água, pressões neutras;

• mudanças (variações) de tensões (num pilar, por exemplo);

• pressões normais e de água no enchimento; • deformação do material de enchimento;

Monitoramento

• Estudo de Caso - Mina Caraíba, Jaguarari (BA), cobre

• destress blasting: alterações nos padrões de furação, nos arranjos de furos, nos explosivos,

carregamento e detalhes do desmonte, que implica transferência de carga para pilares adjacentes (De la Vergne, 2000).

• Monitoramento microsísmico (Andrade et al, 2003) - teve, entre 500 e 800m, tensões da mesma

grandeza de outras minas subterrâneas, com profundidades entre 1.500 e 2.000m. Surgiram desplacamentos.

Estudo de Caso - Caraíba

• Após estudos, foram implementadas

modificações no método de lavra,

monitoramento microsísmico de superfície e de subsolo.

Introdução de:

• enchimento (pastefill),

• monitoramento topográfico a laser,

• aumento da mecanização e automação das operações.

• Primeiros três meses – 2.237 eventos diversos; • Desde a implantação - observados 2 eventos na

escala 2 ou 3 por ano, com lançamento de material.

Subsidência (aluimento)

Fato essencial: qualquer ponto na

superfície pode continuar a subsidir por um tempo ao longo da extração dentro de uma área crítica abaixo deste ponto. Além da “subsidência ativa”, pode haver

uma subsidência algo dependente do tempo, devido a fenômenos como a consolidação ou o comportamento visco-elástico dos estratos, que

continuam a existir depois de o ponto não estar tão distante da zona de

influência da face escavada (“subsidência residual”).

Há de se prever então um monitoramento

Arrancamento (Pull test)

• medição da resistência da ancoragem, através de teste no qual o deslocamento do dispositivo de ancoragem é medido como função da carga aplicada ao

tirante, o que resulta na obtenção de uma curva carga –

Extensometria

• medição do deslocamento relativo entre um ponto no interior do maciço e um ponto no perímetro escavado; • aplicação de extensômetros simples ou múltiplos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Brady e Brown. Rock Mechanics for Underground Mining. 2004. Bise. Mining Engineering Analysis, p. 82-86. 2003.

Bieniawski, Z. T. Design Methodology in Rock Engineering. Balkema. 1992. Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock. p.112

-200.

Hoek et al. Support of Underground Excavations in Hard Rock, cap. 10. 1995.

Hudson e Harrison. Engineering Rock Mechanics. Pergamon. 2007.

Silveira, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP. Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Underground

Construction.Balkema. 2004.