MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto
Departamento de Engenharia de Minas
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral – PPGEM
CONTROLE DE VIBRAÇÕES E PRESSÃO ACÚSTICA NO DESMONTE DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS: ESTUDO DE CASO EM UMA MINA DO
QUADRILÁTERO FERRÍFERO
Autor: LEANDRO GERALDO CANAAN SILVEIRA
Orientador: Prof. Dr. HERNANI MOTA DE LIMA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação do Departamento de Engenharia de Minas da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mineral.
Área de concentração: Lavra de Minas
Catalogação: www.sisbin.ufop.br S587c Silveira, Leandro Geraldo Canaan.
Controle de vibrações e pressão acústica no desmonte de rochas com explosivos: estudo de caso em uma mina do Quadrilátero Ferrífero. [manuscrito] / Leandro Geraldo Canaan Silveira. - 2017.
137f.: il.: color; grafs; tabs; mapas.
Orientador: Prof. Dr. Hernani Mota de Lima.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Engenharia de Minas. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral.
Área de Concentração: Engenharia Mineral.
1. Desmonte de rochas com explosivos. 2. Vibração ressonante. 3. Emissão acustica. 4. Dano estrutural. 5. Incômodo humano. I. Lima, Hernani Mota de. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Titulo.
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
A Deus, antes tudo, por me fazer perseverar nos momentos mais difíceis e seguir adiante. “Quando Ele quer, não tem quem não queira”.
Agradeço a minha família, Alfredo, Vera e Cássia pelo amor, dedicação e por fazer sacrifícios em prol da minha felicidade em toda minha vida. Esta vitória é toda de vocês.
À Tamíris, pelo amor e pelo companheirismo de sempre nas horas mais difíceis. Você me resgatou diversas vezes da tristeza e me fez seguir em frente quando eu mesmo não acreditava em mim. Serei eternamente grato a isso. Sinceros agradecimentos à Dona Helena, Sr. Jayr e Veridiana por terem tornado minha segunda família nessa trajetória. Vocês não sabem o bem que fizeram e o quanto a acolhida de vocês foi importante para mim.
Gratidão ao professor orientador e amigo Dr. Hernani Mota de Lima, por sempre me ajudar quando mais precisava, por compartilhar seus conhecimentos e me orientar nesta trajetória.
Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral (PPGEM) pelas oportunidades, pelo preparo profissional e por contribuir para que eu me tornasse mestre em Engenharia de Minas.
Ao Instituto Tecnológico Vale (ITV) por fornecer-me ferramentas para o meu desenvolvimento profissional, bem como desse projeto. Ao Paulo e Gustavo por toda a luta nessa trajetória. Agradeço à toda equipe da Lavra de minas, Dr. Vidal Félix Navarro Torres, Germán, Taís, Luciano, Luciana e Gian. À Rúbia pela amizade e colaboração insuperáveis. Agradeço também ao Vlademir Bastos e ao Prof. Msc. Michiel Schrage pelos bons momentos de trabalho.
Agradeço à toda equipe da VALE S.A do Complexo Mariana, em especial a equipe da Gerência de Infraestrutura: Péricles, Luiz Cerceau, Nilton Auxiliador, Juliano e a todos que contribuíram de alguma forma. Agradeço também ao Marcão, Amilton, Roberto Valentim, Zé Mauro e Hercy pela ajuda de sempre desde a época de estágio.
RESUMO
Frequentemente o desmonte de rochas com explosivos é fundamental para a produção de um empreendimento mineiro. Devido à proximidade de comunidades com as minas, esta atividade vem sendo motivo de reclamações e conflitos entre as partes envolvidas, sobretudo pela geração de vibrações e pressão acústica que podem causar dano estrutural e incômodo humano. Neste estudo, desenvolve-se uma metodologia para o controle de vibrações e pressão acústica provenientes do desmonte de rochas com explosivos que afetam uma comunidade próxima a uma mina do Quadrilátero Ferrífero. Primeiramente, foram realizadas campanhas de monitoramento sismográfico no local, a fim de registrar as velocidades de vibração das partículas do terreno, suas frequências associadas e a pressão acústica. De posse de tais registros, distância dos pontos de monitoramentos às fontes de vibração e cargas máxima explosiva por espera, estimou-se os parâmetros específicos do terreno em estudo mediante regressão múltipla e assim obteve-se a lei de propagação de vibrações e pressão acústica. Feito isso, foi possível prever os níveis de vibração e pressão acústica em diversos pontos da comunidade e construir mapas de isovalores para uma melhor visualização do fenômeno de propagação das ondas. Ademais, calculou-se a carga máxima explosiva por espera para que não ultrapasse níveis máximos admissíveis de vibração e pressão acústica definidos no estudo, dimensionou-se um plano de fogo base e determinou-se o coeficiente de atenuação das vibrações do terreno para as estruturas da comunidade. Os resultados obtidos neste estudo permitiram concluir que tal metodologia é efetiva e aplicável a qualquer mina a céu aberto nas proximidades de comunidades.
ABSTRACT
Blasting activities is frequently essential for mining production. Nevertheless, nowadays due to the proximity between mines and communities, this activity has been leading to complaints and conflicts between the stakeholders, especially because of blasting-induced vibrations and airblast overpressure, likely to cause structural damage and human discomfort. In this study a methodology for blasting-induced vibration and airblast overpressure control, which affect a community near to a Quadrilátero Ferrífero mine, was developed. First, it was carried out seismographic monitoring in order to record particle vibration velocity, their associated frequencies and airblast. Later on, in possession of such records, distance from the monitoring point to the vibration source, the maximum explosive charge per delay, the specific parameters of the ground was estimated by multiple linear regression, and thus the obtaining of the blasting-vibration and airblast attenuation laws was possible. After that, it was possible to predict the particle velocity vibration and airblast levels at several points in the community as well as to generate contour maps for a better visualization of the wave propagation phenomenon. Furthermore, it was predicted the maximum explosive charge per delay regarding the admissible levels of groundvibration and airblast defined in the study and it was designed a blast layout as well as it was determined the attenuation coefficient of ground vibrations in relation to structures. The results of this study have allowed to conclude that this methodology is effective and applicable to any iron ore open pit mine near to populated areas.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO. ... 17
2. OBJETIVOS ... 19
2.1. OBJETIVOS GERAIS ... 19
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 19
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20
3.1. EXPLOSIVOS ... 20
3.2. VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELO DESMONTE DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS E SEUS EFEITOS DELETÉRIOS ... 21
3.3. PRESSÃO ACÚSTICA E SEUS EFEITOS DELETÉRIOS ... 26
3.4. DINÂMICA DE ROCHAS ... 27
3.5. LEIS DE PROPAGAÇÃO DE VIBRAÇÕES ... 30
3.6. MAPA DE ISOVALORES DE VIBRAÇÃO E PRESSÃO ACÚSTICA ... 33
3.7. DIMENSIONAMENTO DE PLANO DE FOGO E SUA RELAÇÃO COM VIBRAÇÕES E PRESSÃO ACÚSTICA ... 35
3.8. OUTRAS INICIATIVAS PARA O CONTROLE DE VIBRAÇÕES ... 37
3.9. NORMAS E PADRÕES DE VIBRAÇÃO E PRESSÃO ACÚSTICA ... 40
3.9.1. Normas e padrões internacionais ... 40
3.9.1.1. Norma USBM RI 8507- Estados Unidos ... 40
3.9.1.2. Norma DIN 4150- Alemanha ... 40
3.9.1.3. Norma NP 2074-2015- Portugal ... 41
3.9.1.4. Transport Noise Management- Código de prática do estado de Queensland,
3.9.2. Normas brasileiras ... 43
3.9.2.1. ABNT- NBR 9653:2005 ... 43
3.9.2.2. CETESB D7. 013 ... 44
4. METODOLOGIA ... 45
4.1. LOCALIZAÇÃO DA MINA EM ESTUDO ... 48
4.2. CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOMECÂNICA LOCAL ... 48
4.3. CAMPANHA DE MONITORAMENTO ... 51
4.4. TRATAMENTO ESTATÍSTICO DOS DADOS ... 53
4.5. DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DAS VIBRAÇÕES PROPAGADAS NO TERRENO PARA AS ESTRUTURAS ... 55
4.6. VALIDAÇÃO DAS LEIS DE PROPAGAÇÃO OBTIDAS ... 57
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 58
5.1. AVALIAÇÃO DOS POSSÍVEIS DANOS E INCOMODO HUMANO COM OS PLANOS DE FOGO COMUMENTE UTILIZADOS NA MINA ... 58
5.2. LEI DE PROPAGAÇÃO DE VIBRAÇÕES ... 61
5.3. MAPA DE ISOVALORES DE VIBRAÇÃO ... 63
5.4. LEI DE PROPAGAÇÃO DE PRESSÃO ACÚSTICA ... 64
5.5. MAPA DE ISOVALORES DE PRESSÃO ACÚSTICA ... 66
5.6. ESTUDO DA ATENUAÇÃO DAS VIBRAÇÕES EM ESTRUTURAS ... 67
5.7. DIMENSIONAMENTO DA CARGA MÁXIMA ADMISSÍVEL POR ESPERA E DO PLANO DE FOGO ... 71
5.7.2. Carga máxima admissível por espera segundo avaliação de pressão acústica em
estruturas. ... 73
5.7.3. Carga máxima admissível por espera segundo avaliação do incômodo humano em relação a vibrações e pressão acústica. ... 75
5.7.4. Definição da carga máxima por espera a ser aplicada. ... 78
5.7.5. Dimensionamento do plano de fogo base a ser utilizado na mina... 79
5.8. VALIDAÇÃO DAS LEIS DE PROPAGAÇÕES OBTIDAS ... 81
6. CONCLUSÕES ... 83
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 85
APÊNDICE A- DADOS DE PLANOS DE FOGO UTILIZADOS NOS TESTES ... 90
APÊNDICE B- MÉTODOS DE CRAVAMENTO E LOCALIZAÇÃO DOS GEOFONES 101 APÊNDICE C- BANCO DE DADOS COMPLETO DO MONITORAMENTO ... 118
APÊNDICE D- DADOS PÓS-PROCESSADOS DO MONITORAMENTO ... 122
APÊNDICE E- FOTOS DO ENSAIO DE DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO ... 128
APÊNDICE F- FOTOS DO MONITORAMENTO DE VALIDAÇÃO ... 133
ANEXO A- EXEMPLO DE CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO DOS SISMÓGRAFO .. 135
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Proximidade entre a mina em estudo e a comunidade ... 18
Figura 2. Determinação empírica entre o tipo de explosivo a ser utilizado em função da força de compressão uniaxial da rocha e o espaçamento entre falhas ... 21
Figura 3. Zonas distintas definidas na rocha ao redor de uma carga explosiva, após a detonação: (a) carregamento dinâmico, (b) produção de gases, (c)liberação do carreagamento, (d) expansão do furo ... 22
Figura 4. Atenuação das vibrações com a distância ... 23
Figura 5. Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas equidistantes de uma detonação ... 23
Figura 6. Efeito vibratório no corpo humano segundo diferentes eixos e posições: (a) em pé, (b) sentado e (c) deitado ... 24
Figura 7. Resposta humana as vibrações. ... 25
Figura 8. Pressão acústica e frequências associadas de atividades humanas ... 27
Figura 9. Exemplos de carregamentos dinâmicos e suas formas de ondas. ... 28
Figura 10. Tipos de ondas sísmicas ... 29
Figura 11. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação ... 31
Figura 12. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação de distância escalonada ... 32
Figura 13. Mapa de isovelocidades de vibração da Geosonics Inc.. ... 34
Figura 14. Mapa de isovelocidades de vibração construído por Iramina. ... 34
Figura 16. Velocidade pico da partícula versus distância do centro da detonação. ... 39
Figura 17. Norma DIN 4150- Alemanha ... 41
Figura 18. Norma brasileira para avaliação de vibrações em estruturas ... 44
Figura 19. Metodologia simplificada para o controle de vibrações referentes ao desmonte de rochas com explosivos ... 47
Figura 20. Localização da mina em estudo ... 48
Figura 21. Mapa litológico da mina em estudo ... 50
Figura 22. Sismógrafo com geofone fixado com gesso (à esquerda) e sismógrafo com geofone cravado no solo (à direita). ... 51
Figura 23. Localização dos sismógrafos nos dois primeiros dias de monitoramento. ... 52
Figura 24. Localização dos sismógrafos nos terceiro e quarto dia de monitoramento ... 53
Figura 25. Dispersão geral de dados PVS x Distância ... 54
Figura 26. Dispersão geral de dados pressão acústica x distância... 55
Figura 27. Localização dos pontos de monitoramento na comunidade. ... 56
Figura 28. Detonação e pontos de monitoramento no teste de validação... 57
Figura 29. Dispersão dos valores de PPV em comparação com os limites da NBR 9653 ... 58
Figura 30. Dispersão dos valores de PPV em comparação com os limites do USBM 8507. ... 59
Figura 31. Dispersão dos valores de PPV em comparação com os limites da NP2074 ... 59
Figura 32. Dispersão dos valores de PPV em comparação com os limites admissíveis das normas CETESB D7013 e Transport Noise Management. ... 60
Figura 34. Gráfico da velocidade de vibração das partículas, carga máxima por espera e distância obtido pelo LabFit® para vibrações. ... 62
Figura 35. Mapa de isovelocidades segundo a lei de propagação das vibrações para o conjunto de todas detonações na mina. ... 64
Figura 36. Gráfico da pressão acústica, carga máxima por espera e distância, obtido pelo LabFit® para a campanha de monitoramento na mina em estudo ... 66
Figura 37. Mapa de isovalores de pressão acústica segundo a lei de propagação para o conjunto de todas detonações na mina em estudo. ... 67
Figura 38. Comparação entre as cargas máximas por espera em kg - vibrações em estruturas segundo às normas NP 2074, NBR 9635 e USBM 8057. ... 72
Figura 39. Comparação entre as cargas máximas por espera em kWh – vibrações em estruturas segundo às normas NP 2074, NBR 9635 e USBM 8057. ... 73
Figura 40. Carga máxima por espera, em Kg, versus distância - Pressão acústica em estruturas
segundo as normas NBR 9653 e USBM 8507. ... 74
Figura 41. Carga máxima por espera, em Kwh, versus distância - Pressão acústica em estruturas segundo as normas NBR 9653 e USBM 8507 ... 74
Figura 42. Carga máxima por espera, em kg, versus distância – Vibração relacionado a
incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU).
... 76
Figura 43. Carga máxima por espera, em kWh, versus distância – Vibração relacionado a
incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU).
... 76
Figura 44. Carga máxima por espera, em Kg, versus distância – Pressão acústica relacionado a
incômodo humano segundo as normas CETESB D7.013 e Transport Noise Management (AU).
... 77
Figura 46. Exemplo de croqui de plano de fogo recomendado para controle de vibrações e pressão acústica. ... 80
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Sensibilidade humana a vibração de terreno de acordo com o USBM ... 25
Tabela 2. Nível de pressão acústica e efeitos causados. ... 26
Tabela 3. Efeito da pressão acústica em estruturas comuns ... 26
Tabela 4. Características das ondas sísmicas. ... 28
Tabela 5. Velocidade típica de ondas compressionais. ... 30
Tabela 6. Parâmetros controláveis de plano de fogo para minimização de efeitos indesejáveis. ... 36
Tabela 7. Velocidade de segurança para estruturas residenciais proposta pela USBM ... 40
Tabela 8. Norma portuguesa – NP 2074-2015. ... 41
Tabela 9. Limites máximos de vibração induzidas por detonações para conforto humano, segundo o Transport Noise Management Code of PracticeVolume 2 –Construction Noise and Vibration (2014) ... 42
Tabela 10. Limites máximos de pressão acústica induzidas por detonações, para conforto humano, segundo Transport Noise Management Code of Practice Volume 2 – Construction Noise and Vibration (2014). ... 42
Tabela 11. Limites de vibração de partícula de pico por faixa de frequência, segundo ABNT-NBR 9653:2005. ... 43
Tabela 12. Parâmetros aproximados obtidos pela regressão múltipla para vibrações... 62
Tabela 13. Parâmetros empíricos típicos para diferentes litologias ... 63
Tabela 14. Parâmetros aproximados obtidos pela regressão múltipla para pressão acústica. .. 65
Tabela 15. Dados e resultados dos testes realizados para estrutura antiga. ... 68
Tabela 17. Dados e resultados dos testes realizados para estrutura metálica. ... 69
Tabela 18. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a casa antiga. ... 70
Tabela 19. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a estrutura de concreto. ... 70
Tabela 20. Valor do coeficiente de atenuação alfa de vibração no ensaio realizado para a estrutura metálica. ... 71
Tabela 21. Resumo das cargas máximas por espera dimensionando segundo distintas normas e padrões de admissibilidade. ... 78
Tabela 22. Constantes de Ash utilizados no dimensionamento do plano de fogo... 79
Tabela 23. Parâmetros do plano de fogo ... 80
Tabela 24. Dados dos registros de vibração no teste de validação. ... 81
LISTA DE SIGLAS
ANFO: Amoniun nitrate fuel oil– Nitrato de amônia e oléo combustível.
ANZEC: Australia New Zeeland Explorers Club.
CETESB: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo.
CMRI: Central Mining Research Institute .
DIN: Deutsches Institut für Normung – Instituto Alemão para Normatização.
E din: Módulo de Young dinâmico
NBR: Norma Brasileira elaborada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas.
OSMRE: Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement –Departamento de vigilância
a recuperação de mina superficial.
PPV: Peak Particle Velocity- Velocidade de vibração pico da partícula.
PVS: Peak Vector Sum – Soma vetorial da velocidade pico da partícula.
RMR: Rock Mass Ratio.
UNE: Una Norma Española.
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1. INTRODUÇÃO.
Historicamente o desmonte de rochas com explosivos sempre foi baseado na prática e experiência dos operadores que tinham como objetivo principal fragmentar a rocha necessária a produção, mas que muitas vezes negligenciavam a geração de vibrações e pressão acústica pela detonação. Atualmente, devido à expansão da malha urbana próxima a empreendimentos mineiros e sobretudo devido às leis e exigências ambientais cada vez mais rigorosas, é necessário aplicar conceitos científicos para o controle das vibrações e pressão acústica.
A aplicação de conceitos científicos no desmonte de rochas com explosivos permite a consideração de parâmetros geológicos do terreno onde a onda de choque se propaga, bem como o dimensionamento do plano de fogo com a adequada carga máxima por espera, sequência de saída e malha de perfuração.
Segundo Dinis da Gama (1998), apenas cerca de 5 a 15% da energia termoquímica liberada no desmonte de rochas é efetivamente aproveitada para fragmentar a rocha. Logo, a maior parte da energia contida nos explosivos é transferida ao ambiente circundante, susceptível de causar efeitos colaterais que podem conduzir a conflitos socioambientais com as comunidades vizinhas. Desses efeitos, cinco se destacam: as vibrações transmitidas aos maciços e às estruturas adjacentes, a pressão acústica (airblast), as projeções de rocha, as poeiras e a
sobreruptura do maciço rochoso.
Sabe-se que as vibrações e a pressão acústica constituem a causa mais comum das preocupações e reclamações das pessoas afetadas na vizinhança dos trabalhos de desmonte de rochas. Em alguns casos estas reclamações podem ser devido à falta de informação do horário das detonações à comunidade, já em outros pode ser devido ao abalo sofrido em janelas ou mesmo à vibração transmitida a objetos dentro das estruturas.
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propagação para as vibrações e prever de maneira efetiva o comportamento das mesmas em um dado local.
A aproximação dos limites das minas do Quadrilátero Ferrífero às comunidades vem mostrando um maior número de reclamações relativas aos impactos, entre outros no tocante a vibrações e pressão acústica pelo desmonte de rochas com explosivos no processo de lavra. Analisando os limites futuros de lavra, percebe-se que com o passar dos anos, a distância entre as minas e comunidades tende a se estreitar e em muitos casos as comunidades tendem a crescer em direção das operações. A Figura 1 mostra o caso específico de uma mina do Quadrilátero Ferrífero que frequentemente realiza detonações e está próxima a uma comunidade.
Figura 1. Proximidade entre a mina em estudo e a comunidade
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2. OBJETIVOS
2.1.OBJETIVOS GERAIS
Determinar a carga explosiva máxima por espera e dimensionar o plano de fogo para a mina do Quadrilátero Ferrífero em estudo, de forma a realizar lavra com desmonte de rochas com explosivos controlada a fim de proteger estruturas e minimizar o incômodo humano, no que diz respeito aos efeitos das vibrações e da pressão acústica induzidas pelas detonações.
2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar a lei de propagação de vibrações para o local de estudo.
Caracterizar o comportamento dinâmico dos maciços rochosos que ocorrem na zona de lavra atual e futura da mina em estudo do Quadrilátero Ferrífero.
Comparar os atuais registros de vibração e pressão acústica com normas/padrões de admissibilidade.
Plotar mapas de contornos de isovalores de vibração e pressão acústica para o local de estudo.
Determinar a carga máxima admissível por espera a ser utilizada no desmonte de rochas com explosivos da mina em estudo para uma velocidade limite admissível de vibração e níveis de pressão acústica segundo normas/padrões de danos estruturais e incômodo humano.
20
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1.EXPLOSIVOS
Comumente, os explosivos mais utilizados nas práticas mineiras são o ANFO (Ammonium
Nitrate Fuel Oil), as lamas e as emulsões. O primeiro consiste de uma mistura de oxigênio
balanceada com oxidantes (nitrato de amônio) e um combustível (óleo diesel), dióxido de nitrogênio e gás carbônico. Outros tipos conhecidos de explosivos são as lamas e emulsões, que são formuladas como uma mistura balanceada de oxigênio, mas ao invés de uma simples mistura de nitrato com combustível, esses elementos se encontram em uma suspensão gelatinosa. Essa diferença promove uma maior estabilidade para as lamas e emulsões. (BRADY; BROWN, 2004).
A detonação em uma coluna de explosivo envolve a ocorrência de uma reação química que percorre toda a coluna a uma velocidade supersônica, chamada velocidade de detonação. A passagem dessa frente de detonação provoca um aumento brusco na pressão interna do explosivo, atingindo uma pressão da ordem de grandeza de GigaPascais (GPa) (BRADY; BROWN, 2004).
O sucesso de uma detonação está intimamente relacionado a forma como a energia contida nos explosivos é liberada. As propriedades do explosivo empregado e as propriedades físicas e dinâmicas do maciço circundante regem a interação e o comportamento dos mesmos (CANEDO, 2013).
Segundo Louro (2009), algumas propriedades dos explosivos se destacam quanto ao sucesso da detonação, tais como: a energia específica, que é a energia liberada por uma substância explosiva, a velocidade de detonação, que pode ser definida como a velocidade com que a detonação se propaga ao longo da coluna de explosivo e a pressão de detonação, uma intensa pressão que é liberada sob a forma de onda de choque quando é detonado o explosivo.
21
Figura 2. Determinação empírica entre o tipo de explosivo a ser utilizado em função da força de compressão uniaxial da rocha e o espaçamento entre falhas (BRADY,
BROWN, 2004)
A energia intrínseca de cada tipo de explosivo quando liberada não é utilizada única e exclusivamente para a fragmentação de rochas. Sendo assim, diferentes tipos de explosivos irão gerar diferentes efeitos e distintas magnitudes no maciço circundante, como exemplo a vibração de terreno e a pressão acústica.
3.2.VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELO DESMONTE DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS
E SEUS EFEITOS DELETÉRIOS
O problema de vibrações relacionado ao desmonte de rochas com explosivos em lavra de minas a céu aberto vem sendo abordado por vários autores desde o século XX, uma vez que o efeito vibratório no terreno é um subproduto inevitável do processo de detonação.
22
Figura 3. Zonas distintas definidas na rocha ao redor de uma carga explosiva, após a detonação: (a) carregamento dinâmico, (b) produção de gases, (c)liberação do
carreagamento, (d) expansão do furo (BRADY;BROWN, 2004)
Em “a”, tem-se o carregamento dinâmico durante a detonação da carga explosiva e geração e propagação da onda de detonação. Em seguida, em “b”, tem-se a produção de gases e o furo de detonação está sob pressão oriunda da detonação. Posteriormente, em “c”, temos a liberação do carregamento, o deslocamento e afrouxamento do campo transiente de stress e ao final do
processo em “d”, vê-se a expansão do furo de detonação. É na região circunvizinha ao furo de detonação nesta última fase, chamada de zona sísmica ou elástica, onde as ondas se propagam e podem causar danos às estruturas e/ou incômodo humano.
23
Geralmente, os efeitos da vibração são mais perceptíveis em locais próximos as detonações, ou seja, quanto mais próximo uma construção estiver, maior será o impacto sofrido. Segundo Sarsby (2000), os fatores que contribuem para a atenuação das vibrações com a distância são: a expansão geométrica das ondas, a progressiva separação das três componentes, longitudinal, vertical e transversal que provém das diferentes velocidades de propagação, a presença de descontinuidades nos maciços (causando reflexões, refrações, difrações e dispersões) e o atrito interno dinâmico característico das rochas. A Figura 4 ilustra a atenuação das vibrações com a distância, mostrando uma menor intensidade de vibração sendo percebida na estrutura mais à direita pelo fato de estar mais distante da detonação.
Figura 4. Atenuação das vibrações com a distância (BERNARDO, 2004)
No entanto, na prática, as ondas nem sempre se atenuam com a distância. Por exemplo, em meios fraturados, dependendo de sua geometria, as ondas podem concentrar-se ou sobrepor-se a outras refletidas, chegando a medir valores maiores de vibração em pontos mais afastados (AZEVEDO; PATRÍCIO, 2003).
Além disso, a atenuação depende de outros fatores, dentre os quais se destaca a litologia dos materiais da fundação. É essencial reconhecer os terrenos sobre os quais as estruturas estão assentadas, dado que os efeitos locais prevalecem (CORREIA, 2003). A Figura 5 sugere diferentes efeitos das vibrações em dois edifícios similares, equidistantes de uma detonação, um fundado em rocha e outro fundado em solo.
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Como pode ser observado na Figura 5, o efeito vibratório é de maior intensidade, porém de menor frequência na casa fundada em terreno rochoso (à esquerda na figura) quando comparado ao efeito na estrutura fundada em solo, situada à mesma distância da detonação. Dessa forma, para avaliar o efeito das vibrações induzidas pelo desmonte de rochas com explosivos é necessário estudar o terreno em questão para conhecer a influência da geologia no fenômeno de propagação e atenuação das ondas.
Já quando se realizam detonações em áreas próximas as pessoas, os níveis de vibração admissíveis são baseados mais na resposta humana do que nos danos estruturais propriamente, pois a sensibilidade humana às vibrações muitas vezes tem caráter subjetivo e pode ser influenciada pela idade, saúde e estado emocional. O próprio fato da surpresa e imprevisibilidade das detonações pode ser responsável por uma importante parcela do incômodo.
Tecnicamente, a definição de limites admissíveis de vibração quanto ao incômodo humano é feita avaliando o efeito das vibrações no corpo humano segundo três diferentes eixos: x (das costas para o peito), y (da direita para esquerda), z (dos pés para a cabeça) e segundo a posição da pessoa como mostra a Figura 6, dependo da posição da pessoa.
Figura 6. Efeito vibratório no corpo humano segundo diferentes eixos e posições: (a) em pé, (b) sentado e (c) deitado (adaptado de Assessing Vibration: a Technical
Guideline, 2006)
25
Figura 7. Resposta humana as vibrações (LÓPEZ JIMENO, C; LÓPEZ JIMENO, E;
GÁRCIA-BERMUDEZ, 2003).
Observa-se que para esses autores baixos níveis de vibração, abaixo de 10 mm/s podem causar incômodo humano quando a frequência associada é alta. Desta maneira, o estudo das vibrações com as frequências associadas é de extrema importância.
Já segundo Farhad, Mohammad Ali e Hamid (2014), a definição dos níveis de admissibilidade quanto à sensibilidade humana à vibração deve ser feita avaliando o nível de velocidade da partícula de pico, frequência de vibração, duração e frequência do evento, baseando-se nos trabalhos de pesquisa realizados pelo USBM (Tabela 1).
Tabela 1. Sensibilidade humana a vibração de terreno de acordo com o USBM (FARHAD, MOHAMMAD ALI, HAMID.; 2014)
Efeito no ser humano Velocidade de vibração de terreno (mm/s)
Imperceptível Quase imperceptível Pouco perceptível Fortemente perceptível Perturbador
Muito perturbador
0.025-0.076 0.076-0.254 0.254-0.762 0.762-2.540 2.540-7.620 7.620-25.400
26
estudadas normas e padrões nacionais e internacionais de admissibilidade a fim de obter mais valores de referência quanto ao incômodo humano, ao dano estrutural e assim adotar um valor mais plausível para minimizar estes efeitos na comunidade próxima à mina em estudo.
3.3.PRESSÃO ACÚSTICA E SEUS EFEITOS DELETÉRIOS
A pressão acústica, também conhecida como sobrepressão ou airblast é definida como a onda
de choque gerada pela detonação que tem o ar como meio de propagação e que possui energia na faixa audível (20 Hz a 20 KHz) e não audível, com duração inferior a um segundo (NBR 9653, 2005). Pode causar incômodo humano e danos estruturais, sendo presenciada na forma de abalos, principalmente nos telhados, paredes e janelas de construções e é comumente medida em decibéis (dB) ou em pascais (Pa). A Tabela 2 mostra distintos níveis de pressão acústica e seus efeitos em estruturas, destacando que valores abaixo de 134 dB são recomendados internacionalmente, segundo Kuzu, Fizne e Ercelebi (2009).
Tabela 2. Nível de pressão acústica e efeitos causados (KUZU; FISNE; ERCELEBI, 2009).
Nível de pressão acústica (dB) Explicação
180 Possível dano estrutural
171 Quebra de janela
151 Ocasional quebra de janela
Inferior a 134 Recomendações internacionais
Outros autores como Siskind e Summers (1974) também relataram através de seus estudos os potenciais efeitos da pressão acústica, como mostrado na Tabela 3.
Tabela 3. Efeito da pressão acústica em estruturas comuns (SISKIND; SUMMERS, 1974)
Efeito Pressão acústica (dB)
Todas janelas quebram 177
Maioria das janelas quebram 170
Algumas janelas quebram 150
Algumas vidraças trincam 140
Limite interno do USBM para pressão acústica 136
Passível de reclamação 128
27
Ainda assim, o dano potencial causado por pressão acústica é consideravelmente menor que os causados por vibração do terreno. Dessa forma, para uma melhor definição de limites máximos admissíveis, muitos países têm suas próprias regulamentações e vem realizando mais estudos para definir níveis aceitáveis de pressão acústica (FARHAD; MOHAMMAD ALI.; HAMID, 2014)
A fim de avaliar o possível incômodo humano causado, a magnitude da pressão acústica, seus respectivos efeitos colaterais e suas frequências associadas pode-se comparar o efeito gerado pela detonação e atividades do cotidiano do ser humano (Figura 8).
Figura 8. Pressão acústica e frequências associadas de atividades humanas (NAVARRO TORRES, V.F, 2014)
Observa-se que os níveis de pressão acústica gerados pelas detonações são muito próximos aos níveis considerados nocivos ao ser humano, daí a grande necessidade de controle da pressão acústica no desmonte de rochas com explosivos.
3.4.DINÂMICA DE ROCHAS
28
significativas deformações e faturamento no maciço rochoso. A Figura 9 mostra um gráfico de aceleração das partículas do terreno onde a onda sísmica se propaga em função do tempo. Observa-se que ocorre um pico no valor de aceleração, consequentemente, um grande deslocamento das partículas e depois não se observa grandes oscilações.
Figura 9. Exemplos de carregamentos dinâmicos e suas formas de ondas (ZHAO, 2011).
As ondas sísmicas causadoras de vibração podem ser classificadas em dois principais grupos: as volumétricas e as superficiais. As volumétricas propagam-se no interior do maciço e são classificadas em: ondas P, também conhecidas como primárias, longitudinais ou de compressão
e em ondas S, também chamadas de secundárias, transversais ou de corte. Já as superficiais,
como o próprio nome diz, propagam-se na superfície do terreno e são classificadas em Rayleigh
e Love. Estas ondas sísmicas apresentam várias particularidades (Tabela 4) e seus respectivos
efeitos no terreno podem ser representados esquematicamente segundo a Figura 10.
Tabela 4. Características das ondas sísmicas (CANEDO, 2013).
Ondas Tipo Movimento provocado nas partículas do terreno Velocidade
P Volumétricas Compressão e tração na própria
direção de propagação da onda
Possuem as maiores
velocidades de todas as ondas
S Volumétricas Movimentos perpendiculares à direção de propagação da onda Inferior às ondas P
Rayleigh Superficiais Movimentos elíptico retrógrado Inferior às ondas S
Love Superficiais
Movimentos transversais
horizontais à direção de propagação da onda
29
Figura 10.Tipos de ondas sísmicas (SCIENCELEARN, 2016)
Vale ressaltar que as velocidades de vibração registradas pelos sismógrafos de engenharia são as velocidades de vibração das partículas do terreno, diferentemente da velocidade de propagação de ondas P. Isto é, as ondas P se propagam no terreno em uma velocidade muito
superior a velocidade de vibração que as mesmas causam nas partículas do terreno após uma detonação.
30
Tabela 5. Velocidade típica de ondas compressionais (ZHAO, 2011).
Rocha
ígnea Velocidade de ondas P (m/s) sedimentares Rochas Velocidade de ondas P (m/s) metamórficas Rochas Velocidade de onda P (m/s)
Granito 4500-6500 Conglomerado 1500-4500 Gnaisse 5000-7000
Diorito 4500-6700 Arenito 1500-5000 Xisto 4500-6500
Gabro 4500-7000 Folhelho 2000-4600 Filito 4500-6000
Riolito 4500-6000 Argila 2000-4600 Ardósia 3500-4500
Andesito 4500-6500 Dolomita 3500-6000 Marga 5000-6000
Basalto 5000-7000 Calcário 3500-6000 Quartzito 5000-7000
Segundo Barton (2007) o módulo dinâmico de Young (𝐸 𝑑𝑖𝑛) pode ser calculado mediante a equação (1).
𝐸 𝑑𝑖𝑛 = 𝑉𝑆2𝑥 ⍴ 𝑥 3 (𝑉𝑝/𝑉𝑆) 2−4
(𝑉𝑝/𝑉𝑆)2−1 (1)
Onde:
𝑉𝑆: é a velocidade das ondas S
𝑉𝑝: é a velocidade das ondas P
⍴: é a densidade da rocha em questão.
Todos esses avanços e conceitos da dinâmica de rochas podem contribuir para um dimensionamento mais preciso do plano de fogo num futuro próximo e assim minimizar os efeitos colaterais, isto é, aproveitar melhor a energia dos explosivos para o processo de fragmentação ao invés de dissipá-la em forma de vibrações e pressão acústica.
3.5.LEIS DE PROPAGAÇÃO DE VIBRAÇÕES
A fim de obter um melhor controle das vibrações nas detonações, várias iniciativas foram realizadas para estabelecer uma equação para prever o nível de vibração em um dado ponto a partir de parâmetros como: carga máxima de explosivos por espera, distância da detonação ao local de interesse, dentre outros.
31
a distância D como variável independente principal, influenciada pelo coeficiente K que
representa o valor de V para uma unidade da distância e pelo coeficiente de atenuação n.
𝑉 = 𝑘𝐷−𝑛 (2)
Os valores dos coeficientes k e n são determinados através do processo estatístico de regressão
(Figura 11) com base em registros de uma campanha de medições in situ de velocidades de
vibração de partículas a distâncias correspondentes com sismógrafos adequados para diferentes locais.
Figura 11. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação (EDWARD, HADJUK,2004)
Outro modelo de atenuação proposto Wiss (1981) e por Attewell e Farmer (1973), é o denominado modelo de distância escalonada, equação (3):
𝑣 = 𝐾 ⌊√𝑄𝐷⌋−𝑁 (3)
Onde: K é o valor de v para uma unidade da distância, Q é energia liberada na fonte e N é o
coeficiente de atenuação. Os valores de N podem variar na escala log-log de 1.0 a 2.0 com um
valor médio de 1.5 (SVINKIN, 1999).
De forma similar ao modelo anterior, os valores dos coeficientes K e N são determinados
32
Figura 12. Determinação da atenuação da velocidade de vibração de partículas mediante o modelo de atenuação de distância escalonada (EDWARD;
HAJDUK,2004)
Este último modelo inclui a energia que provoca a vibração, mas para o valor do expoente é considerado um valor médio de 0.5, aspecto que restringe a certas condições particulares.
Um modelo particular para estudar a propagação da vibração de partículas baseado na atenuação geométrica e do terreno foi o proposto por Jaeger e Cook (1969), equação (4).
𝑣2 = (𝑣𝑑1) 𝑒−𝛼(𝑑−1) (4)
Onde:
𝑣1: velocidade pico de vibração à distância de 1 m.
𝑣2: velocidade pico de vibração à distância d.
𝛼: coeficiente de atenuação do terreno que depende do tipo de material e frequência.
Dinis da Gama, (1998); Hustrulid, (1999), Navarro Torres VF e Bernardo, (2004) reconhecem a equação (5) proposta por Johnson (1971) apud Dinis da Gama e Bernardo, (2001); como a
mais utilizada no meio científico a fim de descrever o comportamento das ondas sísmicas no terreno geradas pelo desmonte de rocha com explosivos.
𝑣 = 𝑎𝑄𝑏𝐷𝑐 (5)
Onde:
𝑣: velocidade de vibração de partículas máxima resultante (mm/s).
33
𝐷: distância entre os pontos de detonação e medição.
𝑎, 𝑏, 𝑐: constantes da litologia local e particularidades das detonações.
Tal equação trabalha com a distância real entre o ponto de detonação e os pontos de monitoramento, ao invés da distância escalonada utilizada nos outros modelos. Mais ainda, esse modelo trabalha com os parâmetros específicos do terreno ao invés de atribuir valores já pré-estabelecidos. Ademais, vale ressaltar que tal modelo também pode ser expresso em termos de energia ao invés de carga explosiva e ainda pode ser usado para a previsão de pressão acústica em pascais (Pa).
3.6.MAPA DE ISOVALORES DE VIBRAÇÃO E PRESSÃO ACÚSTICA
Mapas de isovalores de vibração e pressão acústica são ferramentas extremamente úteis para a visualização da maneira como a onda gerada pelo desmonte de rochas se propaga pelo terreno e pelo ar e atinge determinada região. É difícil encontrar exemplos de aplicação desses mapas na literatura devido a necessidade de possuir um elevado número de sismógrafos para sua construção.
34
Figura 13. Mapa de isovelocidades de vibração da Geosonics Inc. (REIL,1998).
Iramina (2002) também gerou mapas de isovelocidades de vibração, porém com número reduzido de sismógrafos para adaptar a metodologia da Geosonics Inc a fim de prever os níveis de vibração gerados pelas detonações em comunidades próximas a uma pedreira no estado de São Paulo (Figura 14).
35
Schrage (2005) gerou mapas de isovalores com uma aplicação diferente, no caso para ruídos ambientais. No trabalho, o autor elaborou mapas de ruído de uma lavra subterrânea no estado do Rio de Janeiro a partir de medições de ruído em períodos diurno e noturno antes e após a instalação da mineração.
Canedo (2013) em sua tese de doutorado objetivou verificar a metodologia proposta por Iramina (2002), só que desta vez alocando mais sismógrafos em um número maior de direções em relação às detonações em pedreiras, também localizadas no estado de São Paulo (Figura 15).
Figura 15. Mapa de isovelocidades de vibração gerado por Canedo (CANEDO, 2013).
3.7.DIMENSIONAMENTO DE PLANO DE FOGO E SUA RELAÇÃO COM
VIBRAÇÕES E PRESSÃO ACÚSTICA
36
Tabela 6. Parâmetros controláveis de plano de fogo para minimização de efeitos indesejáveis (KUZU; FISNE; ERCELEBI, 2009).
Parâmetros Grau de importância
Significativo Moderado Insignificante Carga máxima de explosivos por espera V/ PA
Tempo de retardo V/ PA
Comprimento e diâmetro da carga V/PA
Tampão (quantidade) PA V
Tampão (tipo) PA V
Ângulo do furo V/PA
Sentido da iniciação PA V
Carga total de explosivos V/PA
Onde V = vibrações e PA = pressão acústica.
Segundo Hustrulid (1999), para o adequado dimensionamento do plano de fogo, o critério mais utilizado é o de Ash (1963), que se baseia no cálculo de algumas relações (constantes K)
fundamentais, tais constantes são valores de referência ideais para a relação entre os principais parâmetros do plano de fogo como mostram as equações (6 a 11).
𝐾𝑆 = 𝑆𝐵 (6)
𝐾𝐵 =𝐵𝐷 (7)
𝐾𝐵 = 25√𝑝∗𝑆0.8∗1𝐴𝑁𝐹𝑂 (8)
𝐾𝑗 = 𝐵𝐽 (9)
𝐾𝑇 = 𝑇𝐵 (10)
𝐾𝐻= 𝐻𝐵 (11)
Onde: S é o espaçamento, B é o afastamento, D é o diâmetro do furo, p é a densidade da rocha
em questão, SANFOé o fator de energia do explosivo utilizado em relação ao ANFO, J é o diâmetro do furo, T é o tampão e H é a altura do banco.
37
Sugere-se que os valores de KS estejam entre 1 e 1.5, sendo que em malhas de perfuração estagiadas, a melhor distribuição de energia é alcançada quando KSé igual a 1.15;
Há duas maneiras de calcular 𝐾𝐵 (equações 7 e 8);
Sugere-se KJigual a 0.3;
O valor mínimo recomendado para KT é o de 0.7 para furos de grande diâmetro. Alguns especialistas também sugerem o valor de 1.0.
KH deve ser pelo menos 1.6.
Estes critérios serão utilizados como referência para o adequado dimensionamento do plano de fogo visando minimizar a geração de vibrações e pressão acústica no capítulo 5.
3.8.OUTRAS INICIATIVAS PARA O CONTROLE DE VIBRAÇÕES
Recentemente, o controle de vibrações foi abordado de distintas maneiras, isto é, técnicas estatísticas, matemáticas e computacionais avançadas se tornaram úteis ferramentas na área de pesquisa do controle de vibrações. A seguir apresenta-se uma breve descrição dos principais trabalhos realizados neste tema nos últimos anos.
Kamali e Ataei (2010) realizaram campanhas de monitoramento de vibrações com sismógrafos nas detonações das escavações das usinas e barragem de Karoun III, no Irã, com o objetivo de prever a velocidade pico de vibração das partículas mediante três técnicas: análise multivariada, modelos/leis empíricas e redes neurais artificiais. Isto é, a análise multivariada é um método estatístico que permite trabalhar com três ou mais variáveis e eliminar as menos representativas para um dado modelo ao passo que as leis empíricas de propagação de vibrações consideram a vibração proporcional a parâmetros como a distância e a carga máxima explosiva por espera. Já as redes neurais artificiais são modelos computacionais inspirados em redes neurais de organismos inteligentes que podem assimilar conhecimento, processar cálculos e fornecer resultados com precisão.
38
multivariada apresentou R2igual a 0.94 e a lei empírica, por sua vez, apresentou coeficiente de
determinação igual a 0.92.
Ghasemi, Ataei e Hashemolhosseini (2012) desenvolveram um modelo de lógica Fuzzy,
também conhecida como lógica difusa que consiste no modelamento computacional que possui a capacidade de racionar e gerar respostas em situações ambíguas, implementado em MATLAB
para prever a velocidade de vibração de partículas baseando em dados coletados numa mina de cobre no sudoeste do Irã. Concluiu-se que a lógica Fuzzy é ótima preditora da velocidade de
vibração de partículas de um terreno.
Álvarez-Vigil et al. (2012) utilizaram redes neurais artificiais para prever a vibração de
partículas causadas pelas detonações numa mina a céu aberto e comparou os resultados obtidos com técnicas estatísticas convencionais e concluiu que a abordagem que havia utilizado produzia um resultado mais representativo. A rede neural foi implementada no software
MATLAB.
Ghoraba et al. (2014) também fizeram o uso de rede neurais para prever a vibração referente
ao desmonte de rochas com explosivos numa mina de ferro, Gol –E-Gohar, Irã. Foram utilizados 115 registros de vibração estrategicamente escolhidos para compor o modelo de rede neural artificial. Mais ainda, foi desenvolvida uma equação empírica (equação 12), baseada nos critérios do United States Bureau of Mines, USBM, a fim de prever o nível de vibração de
partículas de pico e pode-se concluir que a carga máxima explosiva por espera e o tampão eram os parâmetros que mais influenciavam no nível vibratório.
𝑃𝑃𝑉 = 112.8 (𝑆𝐷) − 1.17 (12)
Onde:
PPV: velocidade de vibração da partícula de pico (mm/s)
SD: distância escalonada (m/kg)
39
Figura 16. Velocidade pico da partícula versus distância do centro da detonação
(ZHANG, 2004).
Bakhtavar, Abdollahisharif e Ahmadi (2016) desenvolveram um modelo baseado em programação de objetivo estocástico que também utilizava conceitos de lógica Fuzzy, mas neste
caso para dimensionar um plano de fogo ótimo, com mínima geração de vibração pelo desmonte de rochas com explosivos em minas a céu aberto.
40
3.9.NORMAS E PADRÕES DE VIBRAÇÃO E PRESSÃO ACÚSTICA
Com o objetivo de normatizar e estabelecer níveis máximos admissíveis de vibração e pressão acústica que não causem dano estrutural, nem incômodo humano, muitos países desenvolveram seus próprios critérios para estabelecer valores limite. Nos tópicos 3.9.1 e 3.9.2 serão apresentadas as principais normas e padrões internacionais e nacionais no que diz respeito à vibração e pressão acústica.
3.9.1. Normas e padrões internacionais
3.9.1.1. Norma USBM RI 8507- Estados Unidos
O USBM, órgão que regeu a segurança e a normatização da mineração nos Estados Unidos até o ano de 1996, definiu limites de vibração pico da partícula baseado na frequência registrada e no tipo de estrutura em avaliação em 1980, conforme mostra a Tabela 7. Apesar de extinto, os padrões de referência propostos pelo USBM são praticados até os dias atuais, devido a qualidade técnica de trabalhos.
Tabela 7. Velocidade de segurança para estruturas residenciais proposta pela USBM (FARHAD; MOHAMMAD-ALI; HAMID, 2014)
Tipo de estrutura Frequência (<40 Hz) Frequência (>40 Hz) Casas modernas, interior de
gesso.
Casas antigas de gesso com interior de madeira
19 mm/s 12.7 mm/s
50 mm/s 50 mm/s
Para pressão acústica, a norma USBM – RI 8507 estabeleceu um limite máximo admissível de 136 dB medido além dos limites do empreendimento mineiro.
3.9.1.2. Norma DIN 4150- Alemanha
41
Um número considerável de países europeus tem desenvolvido suas próprias regulamentações com base na DIN 4150. A Figura 17 mostra os limites da velocidade de vibração em função da frequência propostos.
Figura 17. Norma DIN 4150- Alemanha
3.9.1.3. Norma NP 2074-2015- Portugal
Por sua vez, a norma portuguesa atualizada, NP 2074 - 2015, também considera a frequência e o tipo de estrutura para definir a velocidade máxima de vibração de partícula de pico como mostra a Tabela 8.
Tabela 8. Norma portuguesa – NP 2074-2015.
Tipos de estruturas Velocidade máxima de vibração de partículas (mm/s) Frequência dominante, f
f ≤ 10 Hz 10Hz < f ≤ 40 Hz f > 40 Hz
Sensíveis 1,50 3,00 6,00
Comuns 3,00 6,00 12,00
Reforçadas 6,00 12,00 40,00
0 10 20 30 40 50 60
1 10 100 1000
PP
V
(m
m
/s)
Frequência (Hz)
42
Observa-se por inspeção à Tabela 8 que esta norma portuguesa é rigorosa, principalmente para baixas frequências, isto é, abaixo de 10 Hz, e que os diferentes tipos de estruturas apresentam são distintamente afetados pelo fenômeno vibratório.
3.9.1.4. Transport Noise Management- Código de prática do estado de
Queensland, Austrália.
O Código de prática do estado de Queensland na Austrália, fornece limites máximos de
vibração de partículas quanto ao incômodo humano (Tabela 9) para efeitos vibratórios impulsivos, como a detonação, levando em consideração o local em que a pessoa se encontra. Mais ainda, o código relata que os limites propostos para a velocidade de vibração de partículas quanto a avaliação de incômodo humano devem ser também aplicáveis a avaliação de danos estruturais.
Tal critério é baseado nas seguintes normas e padrões: Australian Standard AS 2187.2:2006
(Austrália), ANZEC ‘Technical Basis for Guidelines to Minimise Annoyance due to Blasting
Overpressure and Ground Vibration’, 1990 (Nova Zelândia), Environmental Protection Act Section 440ZB (Austrália) , EHP EcoAccess ‘Noise and Vibration from Blasting’, 2006
(Austrália).
Tabela 9. Limites máximos de vibração induzidas por detonações para conforto humano, segundo o Transport Noise Management Code of PracticeVolume 2 –
Construction Noise and Vibration (2014)
Local Velocidade de vibração de partículas
Construções históricas,
monumentos 2 mm/s
Uso de terras sensíveis Máximo de 5 mm/s para 9 de cada 10 detonações consecutivas e de 10 mm/s para qualquer detonação
Quanto à pressão acústica, o código também fornece limites máximos para avaliação do incômodo humano (Tabela 10), bem como para avaliação do possível dano estrutural.
Tabela 10. Limites máximos de pressão acústica induzidas por detonações, para conforto humano, segundo Transport Noise Management Code of PracticeVolume 2
– Construction Noise and Vibration (2014).
Local Pressão acústica (dB)
Uso de terras sensíveis
43
3.9.1.5. Outros padrões internacionais
Padrões internacionais como o da França, elaborado pela AFTES (Association Francaise des
Travaux en Souterrain), o da Índia, redigida pelo Central Mining Research Institute (CMRI), o
da Espanha (UNE 22381) também levam em conta a frequência e o tipo de estrutura para definir a velocidade máxima de vibração de partícula de pico.
3.9.2. Normas brasileiras
3.9.2.1. ABNT- NBR 9653:2005
Em âmbito nacional a norma ABNT-NBR 9653:2005 estabelece os valores máximos de vibração de partícula, a partir dos quais poderão ser causados danos, considerando a frequência associada. No entanto, essa norma não leva em conta o tipo de estrutura a ser afetado, como os padrões internacionais o fazem, como mostra a Tabela 11 e a Figura 18. Em relação à pressão acústica, a norma estabelece um valor máximo de 134 dB medido além da área de operação mineira.
Tabela 11. Limites de vibração de partícula de pico por faixa de frequência, segundo ABNT-NBR 9653:2005.
Faixa de frequência
(Hz) Limite de velocidade de vibração de partícula de pico
4 a 15 Iniciando em 15 mm/s aumenta linearmente até 20 mm/s
15 a 40 Acima de 20 mm/s aumenta linearmente até 50 mm/s
Acima de 40 50 mm/s
44
Figura 18. Norma brasileira para avaliação de vibrações em estruturas (NBR 9653, 2005)
3.9.2.2. CETESB D7. 013
Quanto ao incômodo humano relacionado ao desmonte de rochas com explosivos não existe norma oficial nacional que defina valores máximos admissíveis de vibração e pressão acústica, apenas existem recomendações. No entanto a norma CETESB D7. 013 do Estado de São Paulo estabelece que a velocidade resultante de vibração de partícula não deve ultrapassar o valor máximo de 4,2 mm/s quando medida fora dos limites do empreendimento mineiro. Para pressão acústica, a norma estabelece um máximo de 128 dB sob as mesmas condições de medida. Vale ressaltar que esta norma não considera o ambiente onde o homem se encontra, nem a frequência.
0 10 20 30 40 50 60
1 10 100 1000
PPV
(m
m
/s)
45
4. METODOLOGIA
O trabalho proposto foi realizado segundo as seguintes etapas:
Reconhecimento dos limites de lavra atuais e futuros da mina do Quadrilátero Ferrífero em estudo, bem como da litologia e tipo de terreno que ocorre entre as operações de lavra e a comunidade mediante modelos topográficos, geológicos e geotécnicos disponibilizados pela equipe da mina, bem como visitas ao local;
Caracterização dos atuais registros de vibração e pressão acústica provenientes dos planos de fogo comumente utilizados perante normas e padrões de admissibilidade
Planejamento e realização de uma campanha de monitoramento das vibrações causadas pelas detonações, com um máximo de 20 sismógrafos da marca GEOSONICS®, modelo SSU 3000 EZ+, alocados em pontos distintos da região, registrando as vibrações pico (PPV) nas três direções (transversal, vertical e longitudinal) e a resultante (PVS), frequência e cargas máximas explosiva por espera (Q) que deram origem às vibrações registadas. Cálculo da distância (D) entre a fonte de vibração e o ponto monitorado mediante alocação dos pontos com coordenadas UTM (Universal Transversia Mercator) com o uso de GPS Garmin modelo GPS
Map.
Tratamento estatístico dos dados, retirada de outliers através de métodos estatísticos,
como o número modificado de Thomson e métodos manuais como a plotagem de gráficos das variáveis individualizadas.
Determinação da lei de propagação das vibrações e pressão acústica para o tipo de terreno existente entre a cava e a comunidade, utilizando técnicas de regressão múltipla com o uso do software LABFit® para a equação (5), citada na revisão bibliográfica.
𝑣 = 𝑎𝑄𝑏𝐷𝑐 (5)
46
Realização de testes próximo a estruturas na comunidade simulando vibrações com quedas livres de uma bola de aço de massa igual a 20 kg a diferentes alturas, a fim de caracterizar dinamicamente o terreno, isto é, observar o fator de atenuação (α)
das vibrações propagadas no terreno para as estruturas.
Cálculo da carga explosiva máxima por espera (Q) e redimensionamento do plano
de fogo aplicando o critério de Ash (1963) condicionado pela distância mínima entre a comunidade e a mina, 500 m e pela velocidade de vibração admissível (vlim) a partir da equação (5), equação (5 a), considerada pelos padrões/normas em vigor para danos estruturais e incômodo humano ou nível de vibração máximo admitido estabelecido mediante o estudo.
𝑄𝑚á𝑥 = (𝑣𝑙𝑖𝑚. 𝑎−1. 𝐷−𝑐) 1
𝑏 (5 a)
47
Figura 19. Metodologia simplificada para o controle de vibrações referentes ao desmonte de rochas com explosivos (adaptado de NAVARRO TORRES V.F;
BERNARDO, 2004)
Perfuração Carregamento Detonação
Amplitudes e frequência de vibração Localização do sismógrafo
Distância (D) Carga (Q) Velocidade (V)
Base de dados inicial Planilha de dados
Representação gráfica
Retirada dos valores anômalos
Base de dados representativa
Frequência (f)
Confronto com a geologia, Distância
Análise do espectro de frequências (FFT) Regressão múltipla
Determinação aceitável ?
Constantes empíricas da Equação (a,b,c)
Lei de atenuação característica Carga máxima por retardo admissível (atendendo à
legislação) /
Redimensionamento do plano de fogo
Sim Não
Outros registros
Mapa de isovalores de vibração
48
4.1.LOCALIZAÇÃO DA MINA EM ESTUDO
A mina em estudo está situada a sudeste de Belo Horizonte, encaixada na porção leste do Quadrilátero Ferrífero, Estado de Minas Gerais, Brasil como mostra a Figura 20.
Figura 20. Localização da mina em estudo
4.2.CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOMECÂNICA LOCAL
A fim de uma melhor descrição dos tipos litológicos, a equipe de geotecnia da mina incluiu uma nova classe (Classe VI) na classificação original de Bieniawski (1973) para designar o maciço constituído por saprólito ou solo estruturado com valores de coesão semelhantes aos encontrados na região.
A classe VI adotada para a formação ferrífera refere-se à possibilidade de operar com equipamentos de escavação e de escarificação usados na lavra, para diferenciar dos horizontes duros, somente desmontados a fogo (GABIATTI, 2006).
49
Classe de maciço VI: caracterizado pela presença de solos residuais maduros, solos transportados e litotipos friáveis com baixa coesão
Classe de maciço V (maciço muito pobre): apresenta baixa resistência, sendo completamente alterado e fraturado. Caracterizado geotecnicamente como muito pobre.
Classe de maciço IV (maciço pobre): caracterizado por possuir rocha muito alterada e intensamente fraturada.
Classe de maciço III (maciço mediano): apresenta resistência moderada a alta, sendo caracterizado por alteração baixa a média, constituído de maciço rochoso.
50
Figura 21. Mapa litológico da mina em estudo (VOGBR, 2013)
51
extremamente intemperizadas provenientes da alteração de xistos e quartzitos que compõem os demais litotipos da mina (GABIATTI, 2006).
4.3.CAMPANHA DE MONITORAMENTO
As campanhas de monitoramento ocorreram em pontos localizados em parte da lavra, em área existente entre a lavra e a comunidade e na própria comunidade. As fontes de vibração foram 10 detonações teste utilizando o explosivo do tipo emulsão Fortis Advantadge. As características dos planos de fogo e explosivo utilizados estão descritas no Apêndice A.
O monitoramento foi efetuado utilizando-se um total 20 sismógrafos da marca GEOSONICS®, modelo SSU 3000 EZ+ Os sismógrafos foram configurados para um limite inferior de sensibilidade, trigger, de 0,32 e 1,02 mm/s para vibração, 112 e 116 dB para pressão acústica e
janela temporal de 5 e 8 s, conforme a posição do sismógrafo, para que simples ações como a caminhada de pedestres ou mesmo o tráfego de automóveis e a distância dos pontos de monitoramento à detonação não influenciassem nos eventos registrados. Cada sismógrafo dispõe de um geofone composto de três transdutores posicionados triortogonalmente (Longitudinal, Transversal e Vertical), um microfone, com faixas de captação de velocidade de vibração de partícula e pressão acústica. Os certificados de calibração dos sismógrafos estavam válidos, conforme exemplo no Anexo A.
A alocação e instalação dos sismógrafos (geofone e microfone) seguiram procedimentos técnicos propostos pela ABNT-NBR 9653, em termos de escolha de local, método de fixação e procedimentos. Devido as condições dos locais escolhidos para a instalação, os geofones foram cravados no solo ou fixados com gesso, como exemplo mostrado na Figura 22. As demais fotos da alocação e operação de sismógrafos se encontram no Apêndice B.
52
Nos dois primeiros dias de monitoramento foram utilizados 17 sismógrafos para o monitoramento de cinco detonações (duas no primeiro dia e três no último), alocados em três diferentes regiões, nos limites da mina, em área pertencente a mina (compreendida entre a mina e a comunidade) e na comunidade. A descrição desses pontos, bem como o método de fixação do geofone também se encontram no Apêndice B. A Figura 23 mostra a localização destes pontos com as detonações monitoradas. Tal alocação de sismógrafos foi escolhida de modo a verificar como a onda sísmica de vibração se propagava em uma determinada direção e atingia as estruturas da comunidade.
Figura 23.Localização dos sismógrafos nos dois primeiros dias de monitoramento.
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Figura 24. Localização dos sismógrafos nos terceiro e quarto dia de monitoramento
4.4.TRATAMENTO ESTATÍSTICO DOS DADOS
Inicialmente contava-se com 178 registros de velocidade de vibração de partícula e de pressão acústica, conforme Apêndice C. No entanto, verificava-se valores anômalos, comumente conhecidos como outliers. Baseado nos estudos de Olewuezi, Onoghojobi e Udeyibo (2015),
utilizou-se o procedimento para remoção de outliers conhecido como número modificado de
Thompson,um método estatístico para decisão da manutenção ou remoção de possíveis outliers
detectados para uma única variável. Esse processo consiste em:
1. Cálculo da média dos dados e seu respectivo desvio padrão (S);
2. Cálculo do valor absoluto de desvio
δ
ipara cada dado;3. O valor do número
τ
modificado de Thompson é calculado a partir do valor t para adistribuição de densidade de probabilidade de t-student, como mostra a equação (13):
𝜏 = 𝑡𝛼/2∗(𝑛−1) √𝑛∗√𝑛−2+𝑡𝛼/22
(13)
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𝑡𝛼/2: valor de t-student dependente do nível de significância α = 0.05 e dos graus de liberdade
df = n-2.
Regra de decisão:
se δi > τS, rejeita-se o dado. Então, o dado é um outlier.
se δi < τS, mantém-se o dado. Então, o dado não é um outlier.
Feito isso, retirou-se os outliers indicados pelo método, mas ainda assim verificava-se valores
anômalos no conjunto dados. Após esse procedimento, realizou-se a retirada manual dos
outliers baseando-se na dispersão geral dos dados, utilizando os gráficos PVSversus distância
e pressão acústica versus distância, como ilustrado nas Figuras 25 e 26. Ao final do processo,
restaram 134 registros de velocidade de vibração e 120 de pressão acústica. O grande número de outliers pode ter ocorrido pelo fato de que em muitas medições a alocação dos sismógrafos
ocorreu em aterros, não sendo assim o terreno representativo do local. Este banco de dados se encontra no Apêndice D. Já no Apêndice F mostra-se um exemplo de um relatório sismográfico dos registros efetuados pelo sismógrafo.
No caso dos dados de pressão acústica, foram desconsiderados os registros correspondentes às detonações realizadas em um determinado banco da mina devido a existência de barreiras, maciços rochosos, entre a fonte de vibração e a comunidade, o que exerceu grande influência nas medições.
Figura 25. Dispersão geral de dados PVS x Distância
y = 26402x-1,523
R² = 0,8284
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00
0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00
PVS (m
m
/s
)
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Figura 26. Dispersão geral de dados pressão acústica x distância.
4.5.DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DAS VIBRAÇÕES
PROPAGADAS NO TERRENO PARA AS ESTRUTURAS
Com o objetivo de determinar o coeficiente de atenuação α (equações 14a e 14b), que diz
respeito a atenuação das vibrações ao atingirem diferentes tipos de estruturas, foram realizadas simulações de vibrações mediante a queda livre de uma bola de aço e registros dos eventos com sismógrafos no terreno próximo e no interior de três tipos de construções da comunidade: antiga, comum de concreto e reforçada com estrutura metálica, conforme mostra o mapa de localização da Figura 27.
Se 𝑣𝑛> 𝑣𝑛+1, então 𝛼 𝑛
𝑛+1= 0. Então acontece amplificação. (14a)
Caso contrário,
𝛼 𝑛
𝑛+1 = (1 − 𝑣𝑛
𝑣𝑛+1) ∗ 100 (14b)
Onde:
𝑣𝑛 é a velocidade resultante de vibração em um ponto n no interior ou mais próximo a estrutura avaliada.
y = 184,02x-0,072
R² = 0,4567
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 500 1000 1500 2000 2500
Pr e ssão ac ú sti ca ( d B )
