UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

DISPOSIÇÃO HIDRÁULICA DE REJEITOS ARENOSOS E INFLUÊNCIA NOS PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA

MARILENE CHRISTINA OLIVEIRA LOPES

ORIENTADOR: PROF. ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM GEOTECNIA PUBLICAÇÃO G.DM–068A/2000

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

DISPOSIÇÃO HIDRÁULICA DE REJEITOS ARENOSOS E INFLUÊNCIA NOS PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA

MARILENE CHRISTINA OLIVEIRA LOPES

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE.

APROVADA POR:

_____________________________________________ ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD, UnB

(ORIENTADOR)

______________________________________________ ENNIO MARQUES PALMEIRA, PhD, UnB

(EXAMINADOR INTERNO)

______________________________________________ WALDYR LOPES DE OLIVEIRA FILHO, PhD, UFOP (EXAMINADOR EXTERNO)

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FICHA CATALOGRÁFICA

LOPES, MARILENE C. O.

Disposição Hidráulica de Rejeitos Arenosos e Influência nos Parâmetros de Resistência xxiii, 158 p., 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2000)

Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília.

Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental 1. Barragem de Rejeito 2. Resistência ao Cisalhamento

3. Disposição Hidráulica 4. Análise Probabilística

I. ENC/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

LOPES, M.C.O. (2000). Disposição Hidráulica de Rejeitos Arenosos e Influência nos Parâmetros de Resistência. Dissertação de Mestrado, Publicação G.DM–068A/2000, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 157 p.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Marilene Christina Oliveira Lopes

TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Disposição Hidráulica de Rejeitos Arenosos e Influência nos Parâmetros de Resistência.

GRAU / ANO : Mestre / 2000

É concedida à Universidade de Brasília a permissão para reproduzir cópias desta dissertação de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação de mestrado pode ser reproduzida sem a autorização por escrito do autor.

________________________________________ Marilene Christina Oliveira Lopes

SQN 404 – Bloco A – Apto 303 70.845-010 Brasília/DF – Brasil

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DEDICATÓRIA

DEDICO ESTA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO A MINHA QUERIDA MÃE, BRANCA, QUE SEMPRE SONHOU, MAS NÃO PODE VER NEM A METADE

DA CAMINHADA QUE ME TROUXE ATÉ AQUI. COM AMOR E SAUDADE.

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AGRADECIMENTOS

A Deus.

Ao meu querido pai, Pedro, sem o qual eu não teria chegado até aqui, e aos meus irmãos, Marcelo e Jobson.

Ao Prof. André Assis, não só pela excelente orientação técnica, mas principalmente pela amizade, apoio psicológico, confiança e por nunca ter desacreditado que eu conseguiria. Agradeço também pelas constantes injeções de ânimo.

Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB, pela contribuição na minha formação profissional e, principalmente, ao Prof. Ennio Marques Palmeira, pela contínua disponibilidade em me ajudar durante a execução desse trabalho.

Aos funcionários do Laboratório de Geotecnia da UnB pelo apoio nos ensaios realizados.

Ao departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Ouro Preto e, principalmente ao Prof. Romero César Gomes, por ter despertado em mim o interesse pela área geotécnica, pelo incentivo e pelo apoio técnico durante a fase de execução de ensaios de laboratório.

À SAMITRI Mineração da Trindade S.A. pelo apoio durante a fase de coleta de amostras, pelo constante interesse nos estudos e pelo apoio financeiro.

Ao CNPq, também pelo apoio financeiro.

Às minhas queridas amigas e quase irmãs, Sylvinha, Joyce, Lú Torres e Aninha, pelo constante apoio, incentivo e por terem se transformado na minha família aqui em Brasília. Sem vocês, a conclusão desse trabalho teria sido muito mais dura.

Ao meu querido amigo Luís Fernando, por me ter feito reunir todas as forças para que esse trabalho se concretizasse, por ter buscado me orientar tecnicamente e pela amizade a mim dedicada.

Às minhas queridas amigas Alessandra e Lilian pela companhia, pela amizade, pelo incentivo e por nunca terem se esquecido de mim mesmo quando eu estive ausente.

Aos meus amigos Goreti, Patty Danese, Terezinha, Davi e Haroldo pelo apoio e carinho.

Aos colegas da Geotecnia Luís Guilherme, Carlos Alberto, Evaldo e Huberlandy pelo apoio em várias etapas desse trabalho.

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Aos colegas da Geotecnia Paola, Graça, Gilson, Edson, Lindomar, Rideci, Jeffferson, Marisaides, Álvaro, Ana Cristina, Anna Paula, Alcindo, Ronny, João Renato, André Fahel, Paulo, Neusa, Alessandro, Marlon, Davi, Therence, André Brasil, Manoel, Silvrano, por terem tornado tão divertida a minha permanência na UnB.

Ao Neto, pela presença constante ao meu lado, pelo incentivo, pelo carinho e amor a mim sempre dedicados.

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RESUMO

O crescimento de um país está ligado com o seu desenvolvimento industrial, cujas atividades utilizam matérias-primas provenientes da atividade de extração mineral, que geram não só o minério, como também um grande volume de rejeitos e estéreis. Os rejeitos são depositados de acordo com o seu estado físico e a forma de deposição deve ser segura, de maneira a não comprometer o meio ambiente. A forma mais comum de deposição em superfície é em Barragens de Rejeito, estruturas alteadas com o próprio rejeito e que podem ser executada por vários métodos. No Brasil, o método mais utilizado é o Método de Montante, o qual utiliza deposição hidráulica destes materiais. Esse método, apesar de ser o mais econômico dentre todos, apresenta problemas relacionados com estabilidade, o que tem induzido ao estabelecimento de um método de controle de qualidade de execução dessas barragens.

Os parâmetros que condicionam a estabilidade e a estanqueidade de uma Barragem de Rejeito estão relacionados com as propriedades intrínsecas do rejeito e com as variáveis que controlam a deposição hidráulica, tais como vazão, concentração e altura de queda do rejeito. Essa dissertação apresenta um estudo da influência de algumas propriedades geotécnicas nos parâmetros de resistência de um rejeito arenoso, sem avaliar a influência das variáveis de deposição no comportamento geral da barragem.

Para o estudo da influência da granulometria, da composição química e porosidade, são apresentadas relações que definem a correlação entre essas propriedades geotécnicas e o ângulo de atrito do material. Define-se um modelo de comportamento de rejeito arenoso, estruturado em funções matemáticas, de fácil aplicação, onde o ângulo de atrito é uma função exponencial do Índice de Densidade. Além disso, apresenta uma discussão sobre os modelos clássicos de segregação hidráulica por granulometria, mostrando que a seleção de partículas não só é condicionada pela granulometria, como também pelo peso das partículas.

Por fim, o modelo definido para o rejeito é acoplado à metodologia de controle de qualidade de execução de Barragens de Rejeito proposto por Espósito & Assis (1999), sendo aplicado em um exemplo, o qual comprovou que o controle geotécnico de uma barragem pode ser facilmente executado utilizando a metodologia proposta, reduzindo a campanha de ensaios de resistência se o rejeito tiver suas características alteradas. O exemplo também comprova que a análise probabilística é mais recomendada que a determinística, em função da grande variabilidade dos parâmetros geotécnicos dentro da barragem.

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ABSTRACT

The growth of a country depends upon its industry development, which activities use materials originated from mining exploitation. The mining process generates the ore, but also a great volume of mining waste. The waste disposal technique depends on its type and should be safe enough to avoid disturbing the environment. The most common technique is the use of tailings dams, which are built using the own waste, according to several construction methods. In Brazil, the most popular method is the upstream method, which hydraulically disposes the tailings. Despite being the most economic one, this method presents some drawbacks related to dam stability, which has pointed to the establishment of a quality control method for constructing this type of dams.

The parameters responsible for stability and permeability of tailings dams are related to some waste intrinsic properties, as well as to hydraulic disposal variables such as flow rate, concentration and discharge height. This dissertation aims to study the influence of some geotechnical properties on the shear strength parameters of granular wastes, disregarding the influence of the hydraulic process variables.

Relationships between friction angle and grain size, chemical composition or porosity are presented. A behavioural model is proposed, based on mathematical functions, where the friction angle can be easily obtained as a function of the waste density index. Besides that, the classic model of segregation based on grain size is contested, concluding that particle selection is not only defined by its size, but also by its weight.

Finally, this model can be coupled to the quality control method for tailings dams, proposed by Espósito & Assis (1999). An example is carried out in order to prove that the geotechnical control can be easily executed, as proposed, reducing the testing programme in case of changes in the waste properties. This example also indicates that probabilistic analyses are more appropriate than the deterministic ones, due to the great variability in the geotechnical parameters of tailings dams.

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ÍNDICE

CAPÍTULO PÁGINA

1 - INTRODUÇÃO...1

1.1 - CONCEITUAÇÃO E IMPORTÂNCIA DA MINERAÇÃO...1

1.2 - PREOCUPAÇÃO AMBIENTAL NO CONTEXTO DA ATIVIDADE MINERADORA...2

1.3 - PRODUTOS E RESÍDUOS GERADOS PELA ATIVIDADE MINERADORA...3

1.4 - DISPOSIÇÃO DE REJEITOS...6

1.5 - OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO...8

1.6 - ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO...9

2 - BARRAGENS E PILHAS DE REJEITO...11

2.1 - CONCEPÇÃO E ASPECTOS CONSTRUTIVOS...11

2.1.1 - Deposição de rejeitos em barragens...12

2.1.2 - O rejeito como material de construção...13

2.1.3 - Métodos Construtivos...15

2.2 - CONTROLE DE QUALIDADE GEOTÉCNICO DURANTE O ALTEAMENTO DE BARRAGENS DE REJEITO...17

2.3 - CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A PILHA DE REJEITOS DO XINGU...22

3 - COMPORTAMENTO DE AREIAS...26

3.1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE RESISTÊNCIA DE AREIAS...26

3.2 - CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE PERMEABILIDADE DE AREIAS...29

3.3 - FATORES QUE INFLUENCIAM NO COMPORTAMENTO DE AREIAS...30

4 - ENSAIOS DE LABORATÓRIO – RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO E RESISTÊNCIA...34

4.1 - INTRODUÇÃO...34

4.2 - COLETA DE AMOSTRAS NA PILHA DE XINGU...34

4.3 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DO REJEITO...38

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4.3.2 - Determinação da densidade real dos grãos (ρs)...39

4.3.3 - Determinação das curvas granulométricas do material...42

4.3.4 - Obtenção do concentrado de ferro presente no rejeito...46

4.4 - ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO DO REJEITO...50

4.4.1 - Considerações gerais sobre o ensaio de cisalhamento direto...50

4.4.2 - Moldagem dos corpos de prova...53

4.4.3 - Determinação da velocidade de execução do ensaio de cisalhamento...55

4.4.4 - Resultados dos ensaios de cisalhamento...57

4.4.4.1 - Parâmetros de resistência obtidos dos ensaios de cisalhamento...57

5 - ANÁLISE DOS RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO E DE RESISTÊNCIA...60

5.1 - CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS COLETADAS NA PILHA DO XINGU...60

5.2 - PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA OBTIDOS NOS ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO...68

6 - APLICAÇÃO DO MÉTODO DE CONTROLE DE QUALIDADE DE EXECUÇÃO DE BARRAGENS DE REJEITO...80

6.1 - MODELO DE COMPORTAMENTO DE REJEITOS ARENOSOS...81

6.2 - EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO MODELO DE COMPORTAMENTO DO REJEITO DENTRO DO MÉTODO DE CONTROLE DE QUALIDADE DE EXECUÇÃO DE BARRAGENS DE REJEITO...85

7 - CONCLUSÕES...101

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...107

A - CURVAS GRANULOMÉTRICAS DAS AMOSTRAS DA PILHA DO XINGU – DIQUE 2 – CANHÃO 2...110

B - RESULTADOS DOS ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO EXECUTADOS NAS AMOSTRAS 02, 06, 10, 10-A E 10-B...115

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B.2 – AMOSTRA 06...121

B.3 – AMOSTRA 10...127

B.4 – AMOSTRA 10-A...133

B.5 – AMOSTRA 10-B...139

C - CURVAS DE VARIAÇÃO DE VOLUME DURANTE O CISALHAMENTO DAS AMOSTRAS 02, 06, 10, 10-A E 10-B...144 C.1 – AMOSTRA 02...144 C.2 – AMOSTRA 06...147 C.3 – AMOSTRA 10...150 C.4 – AMOSTRA 10-A...153 C.5 – AMOSTRA 10-B...156

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA PÁGINA

Figura 1.1 – Percentual médio entre rejeitos e produtos gerados para cada tonelada

explorada...4

Figura 2.1 - Métodos construtivos de barragens de rejeito...16

Figura 2.2 – Seção transversal típica da Pilha de Rejeito do Xingu (Giovannini & Amaral, 1999)...24

Figura 3.1 - Comportamento de areias durante cisalhamento...27

Figura 4.1 – Local de amostragem na Pilha do Xingu, Dique 2, Canhão 2, Cota 946...35

Figura 4.2 - Erosão provocada pela energia de deposição sob o Canhão 2 do Dique 2...36

Figura 4.3 – Croqui da posição dos pontos amostrados em relação à posição do Canhão 2....37

Figura 4.4 – Relação entre o percentual de ferro e a densidade real dos grãos do rejeito...41

Figura 4.5 – Curvas granulométricas de todos os pontos...44

Figura 4.6 – Curvas granulométricas – Pontos 02, 06 e 10...45

Figura 4.7 – Curvas granulométricas - Frações resultantes do processamento na Mesa Wilfley...49

Figura 4.8 – Ensaio de cisalhamento direto – Harr (1966)...51

Figura 4.9 – Curva do índice de vazios em função do log da pressão...56

Figura 4.10 – Curva da altura do corpo de prova em função da raiz do tempo...56

Figura 5.1 – Distribuição dos D50 ao longo do caminho de deposição na praia...62

Figura 5.2 – Distribuição de D50 na praia de deposição: (a) Representação tridimensional, (b) Isofatores de D50 em planta...63

Figura 5.3 – Percentual de ferro das partículas depositadas ao longo da praia de deposição...65

Figura 5.4 - Distribuição do percentual de ferro na praia de deposição: (a) Representação tridimensional, (b) Isofatores de %Fe em planta...66

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Figura 5.6 – Relação de dependência do ângulo de atrito com a porosidade e a

granulometria...73

Figura 5.7 – Relação de dependência do ângulo de atrito com o Índice de Porosidade Relativa...76

Figura 5.8 – Curva característica de IPR x ângulo de atrito para o rejeito da Pilha do Xingu...78

Figura 6.1 – Comportamento de rejeito arenoso com diferentes granulometrias...83

Figura 6.2 – Curva característica para rejeito arenoso...84

Figura 6.3 – Curvas para determinação de nmax e nmin...84

Figura 6.4 – Modelo de comportamento do rejeito da Pilha do Xingu...88

Figura 6.5 – Determinação do ângulo de atrito em função da porosidade para um D50 qualquer...89

Figura 6.6 – Seção da Pilha do Xingu utilizada nas análises de estabilidade...92

Figura 6.7 – Superfície de ruptura típica...94

Figura 6.8 – Distribuição de Gauss do FS para diferentes valores de ru...95

Figura 6.9 – Variação da pr com a inclinação do talude para diferentes valores de ru...99

Figura A.1 – Curva granulométrica do Ponto 1...110

Figura A.2 - Curva granulométrica do Ponto 2...110

Figura B.1 – Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,70 g/cm3 – Amostra 02...115

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Figura B.3 – Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

Amostra 02...116 Figura B.4 – Envoltória de ruptura - ρd = 1,85 g/cm3 - Amostra 02...116 Figura B.5 – Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 2,00 g/cm3 -

Amostra 06...124 Figura B.20 – Envoltória de ruptura - ρd = 2,15 g/cm3 – Amostra 06...124 Figura B.21 – Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 2,30 g/cm3 -

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Figura B.24 – Envoltória de ruptura - ρd = 2,45 g/cm3 - Amostra 06...126 Figura B.25 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,70 g/cm3 -

Amostra 10...127 Figura B.26 - Envoltória de ruptura - ρd = 1,70 g/cm3 - Amostra 06...127 Figura B.27 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

Amostra 10-A...133 Figura B.38 - Envoltória de ruptura - ρd = 1,70 g/cm3 - Amostra 10-A...133 Figura B.39 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

Amostra 10-A...136 Figura B.44 - Envoltória de ruptura - ρd = 2,15 g/cm3 - Amostra 10-A...136

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Figura B.45 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 2,30 g/cm3 - Amostra 10-A...137 Figura B.46 - Envoltória de ruptura - ρd = 2,30 g/cm3 - Amostra 10-A...137 Figura B.47 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 2,45 g/cm3 -

Amostra 10-B...139 Figura B.50 - Envoltória de ruptura - ρd = 1,40 g/cm3 - Amostra 10-B...139 Figura B.51 - Curvas Tensão Cisalhante x Deslocamento Horizontal - ρd = 1,55 g/cm3 -

Amostra 10-B...143 Figura B.58 - Envoltória de ruptura - ρd = 2,00 g/cm3 - Amostra 10-B...143 Figura C.1 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 1,70 g/cm3 –

Amostra 02...144 Figura C.2 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

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Figura C.6 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 2,45 g/cm3 -

Amostra 10-A...153 Figura C.20 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

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Figura C.22 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 2,15 g/cm3 - Amostra 10-A...154 Figura C.23 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 2,30 g/cm3 -

Amostra 10-B...157 Figura C.28 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 1,85 g/cm3 -

Amostra 10-B...157 Figura C.29 - Curva Variação de Volume x Deformação Horizontal - ρd = 2,00 g/cm3 -

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LISTA DE TABELAS

TABELA PÁGINA

Tabela 2.1 - Variação das características do rejeito da Pilha do Xingu...21

Tabela 4.1 – Localização dos pontos amostrados em relação ao Canhão 2...37

Tabela 4.2 – Composição química do rejeito amostrado na região do Dique 2...38

Tabela 4.3 – Densidade real dos grãos (ρs)...40

Tabela 4.4 – Resultados da análise granulométrica – Porcentagem passante...43

Tabela 4.5 – Composição granulométrica das amostras dos Pontos 02, 06 e 10...45

Tabela 4.6 – Resultado da análise granulométrica – Amostras 10-A e 10-B...48

Tabela 4.7 – Caracterização das amostras 10-A e 10-B...49

Tabela 4.8 – Resultados dos ensaios de caracterização e cisalhamento direto do rejeito – Amostra 02...58

Tabela 4.11 – Resultados dos ensaios de caracterização e cisalhamento direto do rejeito – Amostra 10-A...59

Tabela 4.12 – Resultados dos ensaios de caracterização e cisalhamento direto do rejeito – Amostra 10-B...59

Tabela 5.1 – Diâmetro D50 para o rejeito do Pilha do Xingu...61

Tabela 5.2 – Função de relação entre ângulo de atrito e porosidade – Amostra 02...71

Tabela 5.3 - Função de relação entre ângulo de atrito e porosidade – Amostra 06...71

Tabela 5.4 - Função de relação entre ângulo de atrito e porosidade – Amostra 10...72

Tabela 5.5 - Função de relação entre ângulo de atrito e porosidade – Amostra 10-A...72

Tabela 5.6 - Função de relação entre ângulo de atrito e porosidade – Amostra 10-B...72

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Tabela 6.1 – Propriedades do rejeito da Pilha do Xingu obtidas de Espósito et al. (1997)...86

Tabela 6.2 – Ângulos de atrito obtidos pelo modelo de comportamento de rejeito...89

Tabela 6.3 – Propriedades geotécnicas dos materiais da seção típica da Pilha do Xingu...92

Tabela 6.4 – Resultados das análises de estabilidade...93

Tabela 6.5 – Probabilidades de ocorrência de FS < 1...96

Tabela 6.6 – Resultados da análise probabilística para uma inclinação de talude de 1V: 3,0H...97

Tabela 6.7 - Resultados da análise probabilística para uma inclinação de talude de 1V: 2,75H...97

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LISTA DE ABREVIAÇÕES, NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS

ABNT – Associação Brasileira de Mecânica dos Solos Al2O3 – Óxido de Alumínio

ASTM – American Society for Testing and Materials CaO – Óxido de Cálcio

c - Coesão

c' - Coesão efetiva

CDsat – adensado e drenado com saturação cm – Centímetro

cm3 – Centímetro cúbico

DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral D50 – Diâmetro médio

e – Índice de vazios

emax – Índice de vazios máximo emin – Índice de vazios mínimo Fe – Ferro

FeO – Óxido de Ferro FS – Fator de Segurança

FSmed – Fator de Segurança médio FSi – Fator de segurança fixado

f – Freqüência de ocorrência dos valores de massa específica em campo g – Grama

Gs – Gravidade específica ou Densidade relativa h – Altura

hot – Altura ótima

IB – Instalação de Beneficiamento IPR – Índice de Porosidade Relativa k – Coeficiente de permeabilidade

kmax – Coeficiente de permeabilidade máximo kmin – Coeficiente de permeabilidade mínimo km – Quilômetro

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l – Litro m – Metro

m3 – Metro cúbico min – Minuto mm – Milímetro

MgO – Óxido de Magnésio Mn – Manganês

M1 – Primeiro momento M2 – Segundo momento n – porosidade

nmax – porosidade máxima nmin – porosidade mínima n – Número de variáveis N – Força normal NA – Nível d’água NBR – Norma Brasileira

pi – Probabilidade de ocorrência de cada caso pr – Probabilidade de risco

pr crit – Probabilidade de risco crítica P – Fósforo

PF – perda ao fogo R – Confiabilidade

R2 – Coeficiente de ajuste de regressão

ru – Percentual entre a poropressão u e a tensão geostática aplicada SAMITRI – S.A. Mineração da Trindade

SiO2 – Óxido de silício (sílica) s – Segundo

SGA – Sistema de Gestão Ambiental t – Tonelada

tg – Tangente

T – Força Tangencial TiO2 – Óxido de Titânio

UnB – Universidade de Brasília u – poropressão

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∆ - Variação

φ - Ângulo de atrito

φ’ – Ângulo de atrito efetivo

φCV - Ângulo de atrito a volume constante φmax – Ângulo de atrito máximo

φmin – Ângulo de atrito mínimo φmed – Ângulo de atrito médio

φ+_{- Ângulo de atrito mais o desvio padrão} φ-_{- Ângulo de atrito menos o desvio padrão} ρ - Massa específica in situ

ρd – Massa específica seca

ρd max – Massa específica seca máxima ρd min – Massa específica seca mínima ρs – Massa específica dos grãos σ - Tensão normal

σ’ - Tensão normal efetiva τ - Resistência ao cisalhamento

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1 INTRODUÇÃO

1.1 CONCEITUAÇÃO E IMPORTÂNCIA DA MINERAÇÃO

Chammas (1989) define mineração como um complexo de atividades necessárias à extração econômica de bens minerais da crosta terrestre, que por sua vez provoca sensíveis transformações no meio ambiente, seja nas atividades de lavra como nas do processo. A atividade de lavra constitui-se no processo de extração do mineral de uma jazida. O processo pode ser definido como o conjunto de procedimentos físicos e químicos que levam à obtenção do produto final de interesse para a mineradora e para o mercado comprador. De uma forma geral, as atividades de mineração podem ser entendidas como a exploração econômica de recursos do solo e do subsolo.

A atividade mineradora se caracteriza como uma importante atividade econômica do país, não podendo se desprezar a sua enorme contribuição para o desenvolvimento do mesmo. Historicamente, são claras as contribuições dessas atividades para o desenvolvimento de regiões antes pouco integradas ao desenvolvimento do país. Alguns estados tiveram um grande crescimento econômico com a exploração de jazidas presentes em seus solos e subsolos. Atividades industriais passaram a se desenvolver próximas a regiões de exploração de suas matérias-primas, levando o desenvolvimento e o crescimento para regiões até então com poucos recursos atrativos de investimentos e mão-de-obra qualificada. Estados como Minas Gerais, Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Rondônia e Pará devem grande parte da posição hoje ocupada no cenário nacional e até mesmo no cenário internacional, às atividades de exploração e de tratamento de riquezas minerais tais como ferro, amianto, diamante, manganês, cassiterita, bauxita, ouro, entre outros.

Além de contribuir para a integração de regiões ao desenvolvimento do país, a atividade mineradora, se for levado em consideração o fato da mesma se constituir em matéria-prima para um enorme número de atividades industriais, é grande fonte geradora de impostos e empregos. Segundo Espósito (1995), considerando-se as etapas subseqüentes de produção, onde setores como as indústrias automobilística, eletrônica e de eletrodomésticos e a construção civil utilizam produtos da mineração como matéria-prima, a atividade mineral responde por uma participação de aproximadamente 40% na economia nacional. No cenário internacional, o Brasil se destaca pelas suas reservas e pela produção mineral, encontrando-se em posição de destaque para vários tipos de minério.

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Por todas as razões acima mencionadas, não se pode negar que a atividade de mineração no Brasil é um importante fator de crescimento econômico, o que justifica o grande crescimento de pesquisas que visam contribuir para um melhor desempenho dessas atividades e para uma melhor integração das mesmas ao meio ambiente onde se encontram inseridas.

1.2 PREOCUPAÇÃO AMBIENTAL NO CONTEXTO DA ATIVIDADE MINERADORA

A preocupação mundial com a preservação e também com a reconstituição do meio ambiente tem aumentado a cada ano que se passa. As entidades governamentais e não governamentais ligadas a área de controle ambiental, há muitos anos têm procurado estabelecer normas reguladoras para atividades que possam vir a provocar qualquer tipo de impacto ambiental. Pode-se definir, sucintamente, impacto ambiental como toda e qualquer alteração provocada no meio ambiente por uma ou um conjunto de atividades.

As atividades mineradoras, apesar de fundamental importância para o desenvolvimento de um país, não só provocam alterações e transformações no meio ambiente, como também geram resíduos que devem ser depositados de forma segura. Estes resíduos são constituídos por gases, líquidos e sólidos, sendo que cada componente recebe uma forma de tratamento e/ou disposição diferente, nem sempre de forma conveniente para a preservação das condições ambientais da região.

No Brasil, a atividade de mineração é fiscalizada e dirigida pelo Departamento Nacional da Produção Mineral (DNPM), órgão vinculado ao Ministério das Minas e Energia. Desde os anos 70, esse órgão tem sofrido pressões para regulamentar um Programa de Controle Ambiental para a atividade mineradora no Brasil. Impactos ambientais já nesta época provocados por atividades de mineração, principalmente nas regiões do Quadrilátero Ferrífero e da Província Carbonífera do Sudeste Catarinense, assustavam a população e o Governo.

Segundo Costa & Melo (1987), de uma forma geral, os principais problemas da atividade extrativa mineral, quando não perfeitamente controlada, sobre o meio ambiente são: • dispersão de rejeitos e estéreis em extensas áreas (ocupação física desordenada);

• aumento da acidez do solo;

• inibição do crescimento de diversas espécies vegetais; • favorecimento da aridez do solo;

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• poluição das águas superficiais e/ou subterrâneas;

• acidentes ecológicos decorrentes de rupturas do sistema de barragens, de construção precária e sem estudos geológicos-geotécnicos;

• acidentes ecológicos decorrentes do escorregamento de pilhas de produtos, de estéril ou de rejeito, construídas empiricamente, sem controle.

Os problemas acima citados são resultado da não existência de projetos de integração da exploração dentro do ambiente natural em que se inserem. Juntam-se a eles o fato de que, na maioria das vezes, o tratamento posterior de áreas já degradadas também não é efetuado, o que agrava ainda mais o problema.

Em vista dessa imensa possibilidade das atividades minerais impactarem o ambiente, a partir da década de 80, a maioria das empresas do ramo passaram a procurar soluções e alternativas que viessem a promover uma compatibilização dessas atividades com o meio ambiente natural e o meio ambiente social, no que diz respeito à redução de impactos e aumento de segurança na disposição em barragens de rejeito. Essa preocupação e os estudos ligados à procura de uma melhor integração entre meio ambiente e mineração são perfeitamente justificáveis pelas próprias características da exploração e da deposição de rejeitos. A atividade de mineração caracteriza-se por ser uma atividade temporária, porém, os rejeitos e estéreis resultantes dessas atividades são depositados em estruturas como barragens e pilhas que são permanentes e, que por esse motivo, devem ser estáveis, estanques e compatíveis com o meio ambiente em que estão inseridas.

1.3 PRODUTOS E RESÍDUOS GERADOS PELA ATIVIDADE MINERADORA

As atividades de exploração de recursos minerais do solo e subsolo têm como objetivo, no final do processo de extração e tratamento, a produção do minério que venha a atender o mercado comprador alvo das atividades comerciais da mineradora. Esse minério, ao longo do período de exploração de uma jazida, pode variar suas características, principalmente em teor e granulometria, a fim de constituir-se naquele material exigido pelo mercado comprador interno e externo. O produto final gerado representa apenas uma parcela de todo o material extraído. O restante do material é representado por resíduos de mineração, que podem apresentar-se em forma de gases, líquidos ou sólidos dependendo do processo de beneficiamento do material lavrado. A relação entre a quantidade de minério e de resíduos

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produzidos por uma atividade mineradora pode variar bastante, dependendo do tipo de minério e da jazida explorada. A Figura 1 ilustra esse fato, através de dados apresentados por Abrão (1987) para os tipos de minérios mais explorados no Brasil.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 % Minério (t) Rejeito (t) 1-Ferro 2-Carvão 3-Fosfato 4-Cobre 5-Ouro (0,00001%)

Figura 1.1 – Percentual médio entre rejeitos e produtos gerados para cada tonelada explorada O processo de mineração envolve várias etapas até que o produto final, na concentração desejada, seja atingido. Por essa razão são gerados vários tipos de resíduos, com granulometrias e concentrações diferentes, de acordo com cada etapa do beneficiamento.

A primeira etapa da atividade de extração mineral é a escavação da jazida identificada por investigações do subsolo. Essa escavação poderá ser executada de duas formas: a céu aberto, quando o minério encontra-se em uma camada mais superficial, ou em poços verticais e túneis e galerias horizontais, formando as chamadas minas subterrâneas, quando o minério se encontra em profundidades maiores. Após esse processo, normalmente utilizando escavação a fogo, resultam blocos de rocha com diâmetros que variam de 20 cm a 1 m. É nesta etapa que são gerados os primeiros resíduos do processo, chamados de estéreis.

Os estéreis usualmente são materiais sem valor comercial, provenientes do decapeamento da jazida e formados, em sua maior parte, por materiais provenientes do decape da mina de superfície, ou seja, da retirada de solos e rochas estéreis até chegar no meio mineral. São estocados sob forma de pilhas em talvegues e encostas nas proximidades de lavra (Chammas, 1989).

Ao final do processo de extração, o minério que chega à usina não possui concentração adequada para ser comercializado, isto é, juntamente com o material de valor econômico,

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existem na matriz rochosa do minério outros compostos e materiais que devem ser separados e descartados (Abrão, 1999). Para a separação do material com real valor comercial, a matriz rochosa é submetida a vários outros processos.

Inicialmente os blocos de rocha são submetidos a processos físicos, como britagem e moagem, a fim de reduzir a granulometria dos mesmos para que possam ser encaminhados aos chamados processos de concentração. Durante a britagem e moagem ocorre uma grande liberação de energia, o que obriga a utilização de um grande volume de água para o resfriamento do material. Logo, o produto resultante desses processos é uma lama.

A lama é então submetida a processos físicos e químicos visando a obtenção do concentrado de minério, produto final objetivo da mineração. Esses processos são bastante variáveis, dependendo basicamente do tipo e qualidade do minério extraído. Dentre os vários processos existentes, podem ser citados a separação gravimétrica, separação magnética, flotação, dissolução entre outros. Alguns deles envolvem ataques com ácidos ou outros reagentes químicos. Da submissão da matriz rochosa a todos os processos acima citados resultam o concentrado de valor comercial e o material sem valor comercial chamado de rejeito.

Figueiredo Ferraz (1992) define rejeito como sendo partículas sólidas, remanescentes dos processos de beneficiamento e concentração de minérios em instalações industriais, cujas características são função do minério bruto e do processo industrial utilizado, podendo variar de materiais arenosos não plásticos até solos de granulometria muito fina e alta plasticidade. Esses materiais podem ser inertes, como os rejeitos gerados pela mineração de ferro ou podem ser ativos, como aqueles gerados pelo processo metalúrgico do ouro e do alumínio. Dependendo de como são dispostos, os rejeitos inertes podem provocar uma poluição física, enquanto que os rejeitos ativos poluem fisico-quimicamente os corpos d’água onde normalmente são lançados.

Como a produção de rejeitos em uma mineração se dá em grande escala, como pode ser observado na Figura 1.1, e como o seu potencial de contaminação físico ou químico é bastante elevado, é extremamente importante que paralelamente aos projetos de produção de minérios sejam desenvolvidos também projetos sérios de formas de disposição do material não comercialmente explorado. Além disso, ao contrário da atividade extrativa, que é temporária, as estruturas que recebem esses resíduos são estruturas permanentes e que por essa razão devem ser estáveis. O estudo de formas mais convenientes e a correta disposição

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de resíduos tem sido, atualmente, uma das grandes preocupações das empresas voltadas para o mercado de extração mineral.

1.4 DISPOSIÇÃO DE REJEITOS

Visando assegurar as condições de controle ambiental, segurança, economia e capacidade de armazenamento, uma série de estudos tem sido desenvolvida no que se refere às formas de disposição de resíduos de mineração.

A disposição desses resíduos é feita considerando-se o estado físico dos mesmos. Assim, os gases são normalmente tratados por processos físicos ou químicos. Os resíduos líquidos e sólidos, por sua vez, podem ser depositados de várias formas, dependendo das suas características de granulometria, concentração, capacidade de contaminação, entre outras.

Como visto anteriormente, os primeiros resíduos gerados no processo de mineração são aqueles provenientes da lavra que são os estéreis. Esses materiais, normalmente, são depositados em estruturas chamadas pilhas, que podem ser de dois tipos: pilhas com controle e pilhas sem controle.

As pilhas chamadas com controle são aquelas onde a geometria adotada para lançamento do material, bem como a implantação de alternativas de proteção superficial de taludes e drenagem superficial e profunda, visam assegurar a estabilidade do maciço. Já nas pilhas chamadas sem controle, o estéril é lançado sem qualquer preocupação com a estabilidade dos taludes, partindo-se do ponto de maior cota e sem qualquer tratamento de fundação. A proteção superficial dos taludes, bem como dispositivos de drenagem, não são adotados. Em vista disso, essas pilhas estão constantemente sujeitas a escorregamentos.

Além dos estéreis, outro resíduo das atividades mineradoras, desta vez proveniente do beneficiamento, é o rejeito. Os rejeitos, já definidos anteriormente, são, na atualidade, objeto de pesquisa e de estudos pelas mineradoras. A grande preocupação está no fato de que os mesmos são produzidos em grandes volumes e suas formas de disposição mais comuns normalmente apresentam problemas de segurança.

A deposição de rejeitos é comumente executada em superfície, mas os mesmos também podem ser depositados em cavidades subterrâneas ou em ambientes subaquáticos. A deposição em cavidades subterrâneas normalmente é executada aproveitando-se espaços ou cavas de minas já exauridas. Muitas vezes, essa forma de deposição é adotada não só para

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acolher o rejeito, como também para garantir melhores condições de estabilidade para minas já abandonadas. A deposição em ambientes subaquáticos já foi muito utilizada no passado. Consiste no lançamento de rejeitos sob a forma de polpa no fundo de corpos d’ água, transportados por tubulações. Hoje, com as rigorosas leis ambientais e com a maior conscientização sobre os riscos de contaminação dos rejeitos, esse tipo de deposição só é utilizado onde existe a possibilidade de um intenso controle das características do material lançado no fundo dos corpos d’ água.

No Brasil, os rejeitos são mais comumente depositados na superfície. Dependendo da concentração desses rejeitos, os mesmos podem ser depositados em pilhas, em se tratando de rejeitos mais sólidos, ou em reservatórios contidos por diques ou por barragens, no caso do rejeito se apresentar sob a forma de lama, cujos sólidos possuem granulometria muito fina.

Na maioria das mineradoras brasileiras, a deposição é feita em barragens ou pilhas de rejeitos, podendo, inclusive, o rejeito ser utilizado no alteamento do próprio barramento, o que constitui um grande atrativo econômico para as mineradoras. A preocupação maior se concentra nessa última forma de disposição, devido à enorme dificuldade de realização de um controle mais eficiente. O processo envolve um grande número de variáveis de difícil controle o que sempre leva a questionamentos sobre as condições de estabilidade e segurança das mesmas.

Em vista do potencial de contaminação e dos problemas de segurança, os projetos para disposição segura de rejeitos já é uma realidade das mineradoras, que em sua maioria, têm buscado o aperfeiçoamento de técnicas e métodos de controle que compatibilizem segurança e economia no lançamento de seus resíduos.

Considerando-se a realidade brasileira, a deposição em barragens e pilhas de rejeito merece um melhor detalhamento nos estudos sobre formas de deposição de resíduos. Por essa razão, o Capítulo 2 trata melhor das características, materiais, parâmetros e métodos de projeto para barragens e pilhas de rejeito.

1.5 OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO

A preocupação das empresas que trabalham no ramo de mineração com a disposição dos resíduos provenientes do processo de produção do minério tem aumentado a cada ano que

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se passa. Nesse contexto, foi firmado um convênio de interação Universidade - Empresa entre a Universidade de Brasília (UnB) e a mineradora S.A. Mineração da Trindade (SAMITRI). A empresa SAMITRI produz minério de ferro e lança os rejeitos dessa exploração em barragens de rejeito alteadas pelo Método de Montante. Visando garantir a segurança de suas barragens, a mesma tem demonstrado grande interesse em estudos que venham estabelecer um controle de qualidade de execução de barragens alteadas pelo Método de Montante. Dentro desse contexto, foi formado um grupo de pesquisa na área de disposição de rejeitos dentro da Universidade de Brasília.

Um dos objetivos desse grupo é estabelecer uma metodologia para controle de qualidade de barragens de rejeito executadas pela técnica de aterro hidráulico. Desde 1993, quando o mesmo foi formado, vários estudos vêm sendo realizados no sentido de atingir esse objetivo.

Espósito (1995) apresenta uma metodologia de controle de qualidade de execução correlacionando porosidade com os parâmetros de resistência e permeabilidade de uma barragem. No entanto, sabe-se que os parâmetros geotécnicos de uma barragem de rejeito não só dependem da porosidade in situ como também de vários outras características tais como granulometria e composição mineral.

Este trabalho tem o objetivo de contribuir para o desenvolvimento do método de controle de qualidade de execução de barragens de rejeito que vem sendo desenvolvido pelo grupo acima citado, através do estudo de outras variáveis que condicionam o comportamento da barragem. Visa estabelecer a influência da granulometria e da composição química nos parâmetros de resistência do rejeito, através da definição de uma correlação entre porosidade e ângulo de atrito para várias faixas granulométricas e diferentes composições químicas. A determinação dessa influência é fundamental para o estabelecimento de uma metodologia de controle de execução de barragens de rejeito.

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Este trabalho se estrutura em capítulos que são distribuídos da forma que se segue. O Capítulo 1 faz algumas considerações sobre a atividade mineral como um todo, apresentando sua importância, sua relação com as preocupações ambientais, os produtos gerados pela extração de minérios, bem como das formas de deposição de resíduos gerados.

Como este trabalho se concentra nos estudos de estabilidade de Barragens de Rejeito, o Capítulo 2 apresenta a conceituação, as características e as considerações de projeto para essa forma de deposição de resíduos. Apresenta os aspectos construtivos, as formas de disposição do rejeito nas barragens, os materiais de construção, as características geotécnicas do material rejeito, os métodos de alteamento da barragem, bem como a visão geotécnica para projetos.

Considerando-se que o rejeito utilizado como material de construção do corpo da barragem apresenta uma granulometria arenosa, o Capítulo 3 faz uma revisão sobre o comportamento de areias. Apesar do rejeito apresentar algumas características bastante particulares, o entendimento do comportamento das areias em condições drenadas e não drenadas é fundamental para um melhor entendimento do comportamento dos rejeitos sob essas mesmas condições.

Esses três capítulos iniciais concluem a revisão bibliográfica sobre o estudo de rejeitos. Os capítulos seguintes já se referem aos resultados e análises obtidos de ensaios executados na Pilha de Xingu, objeto desse estudo. Assim, o Capítulo 4 apresenta os resultados obtidos em ensaios de caracterização e ensaios de cisalhamento direto executados em várias amostras coletadas nessa Pilha. Descreve não só os ensaios realizados, como também a coleta das amostras e os ensaios suporte para as análises, como análise química e ensaio de adensamento. É um capítulo de apresentação de resultados, ficando a discussão sobre os mesmos para o Capítulo 5.

Como o objetivo do trabalho é avaliar a influência de algumas características geotécnicas no comportamento do rejeito, o Capítulo 5 descreve toda uma discussão sobre os resultados obtidos. Avalia a relação existente entre granulometria, densidade real dos grãos e composição química com o ângulo de atrito do material, para uma ampla faixa de porosidades. Apresenta também a discussão sobre como variam as características do material em relação à posição em que o mesmo foi depositado, considerando-se como referência o ponto de lançamento do rejeito. Essa discussão é importante no sentido de esclarecer o processo de segregação hidráulica que ocorre na deposição de material por canhões em barragens de rejeito.

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A fim de obter uma visão mais prática dos resultados obtidos, o Capítulo 6 apresenta algumas análises de estabilidade do talude da Pilha do Xingu, utilizando os parâmetros obtidos da análise dos resultados dos ensaios de cisalhamento. Os valores de fatores de segurança obtidos nas análises de estabilidade são utilizados então, em uma análise probabilística de estabilidade, permitindo verificar a probabilidade de ruptura dessa barragem. Neste capítulo é apresentada também uma verificação da variação da probabilidade de ruptura da barragem em função de mudanças na inclinação do talude. Essa análise permite promover uma otimização do talude da barragem, otimização essa bastante atraente para as mineradoras.

Por fim, o Capítulo 7, entitulado como Conclusões apresenta uma síntese de todas as análises e ponderações efetuadas ao longo do trabalho, bem como apresenta algumas sugestões para dar continuidade à pesquisa sobre Barragens de Rejeito.

Os resultados obtidos nesse trabalho foram bastante satisfatórios no sentido de contribuir para uma melhor avaliação de métodos construtivos de Barragens de Rejeito. Muito ainda se tem a pesquisar, visto que o controle exercido por algumas características geotécnicas na estabilidade de Barragens de Rejeito é um assunto complexo e ainda em fase de desenvolvimento. No entanto, esse estudo é fundamental para a execução de um controle menos empírico e para uma melhor integração dessas barragens no meio ambiente, através de projetos de construção mais realísticos e em conformidade com as leis ambientais.

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2 BARRAGENS E PILHAS DE REJEITO

2.1 CONCEPÇÃO E ASPECTOS CONSTRUTIVOS

Em se tratando de barragens para deposição de rejeitos, as alternativas construtivas são um pouco variadas em vista da possibilidade de executar esses barramentos com materiais alternativos, como o próprio rejeito, por exemplo.

No entanto, barragens convencionais também são utilizadas com essa finalidade. Essas barragens são executadas da mesma forma que barragens para acumulação de água, normalmente levadas à sua altura final em uma única etapa, o que exige um investimento alto e aplicado de uma única vez. Por essa razão, são barragens bastante onerosas e, normalmente, são utilizadas somente quando existe a necessidade de acumulação de um grande volume de água ou quando outras alternativas de disposição forem técnica ou economicamente inviáveis.

As barragens alteadas com o próprio rejeito, em se tratando de custos, são bastante atrativas, se comparadas às barragens convencionais. Essas barragens possuem a peculiaridade de poderem serem alteadas em etapas, à medida em que vai se verificando a necessidade de deposição de um volume maior. Isso faz com que os custos de construção sejam diluídos ao longo da vida útil da barragem, não apresentando um custo inicial muito alto. Além disso, esse procedimento permite alteração nos materiais e na forma de execução ao longo de sua construção, em função de experiências anteriores e da variação das características do rejeito.

Considerando-se barramento para deposição de rejeitos, é importante salientar a diferença entre Barragem de Rejeito e Pilha de Rejeito. As Barragens de Rejeito são aquelas construídas com a finalidade de reter líquidos e o rejeito lama do minério. Nesse tipo de barramento, o adensamento dos rejeitos é fundamental, uma vez que o mesmo condiciona a densidade aparente seca do material e consequentemente o dimensionamento do reservatório. Já as pilhas de rejeitos são estruturas que não possuem a finalidade de reter líquidos, mas constituem-se em algum barramento para o suporte de rejeitos. Por essa razão, são também chamadas de Barragens de Rejeito.

Segundo Assis & Espósito (1995), em vista desses conceitos, todas as considerações feitas para Pilhas de Rejeitos são embasadas nos conceitos de Barragens de Rejeitos, no que se refere ao comportamento do barramento. Assim, as mesmas devem ser estruturas estáveis,

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juntamente com sua fundação, devem permitir o controle adequado de toda a água percolante e reter inteiramente o rejeito em seu reservatório.

Como essas barragens são as mais utilizadas no contexto da mineração brasileira, as próximas considerações feitas no decorrer deste trabalho se restringiram às barragens alteadas com utilização do próprio rejeito como material de construção.

2.1.1 Deposição de rejeitos em barragens

Dentre as técnicas de disposição de rejeitos em barragens, uma das mais utilizadas é a técnica do aterro hidráulico. Nesta técnica, o material é lançado hidraulicamente, sob a forma de polpa, de forma quase aleatória, não sendo estabelecido nenhum controle das variáveis que influenciam o processo de deposição, tais como a vazão, a concentração da lama e a altura de lançamento (Ribeiro et al., 1998).

Uma das características mais importantes dos aterros hidráulicos é a possibilidade de uma segregação sedimentar, onde o material lançado sofre uma classificação em função da granulometria, da forma das partículas e da densidade real dos grãos, formando um gradiente de concentração dentro do conjunto. O conhecimento da segregação do material é fundamental para que se possa avaliar com maior precisão o comportamento do material lançado, responsável pela estabilidade e segurança da barragem.

O lançamento do rejeito nesses aterros é feito por via hidráulica. Os equipamentos mais comumente utilizados são os hidrociclones ou os canhões, também chamados de “spiggotings”, gerando as praias de deposição.

Os hidrociclones promovem um processo conhecido por ciclonagem dos rejeitos, que é um processo de classificação granulométrica. Pode ser realizada ainda na planta ou já próxima ao ponto de lançamento na barragem. Na planta, a ciclonagem tem a função de retirar a água da polpa de rejeito, de forma que a mesma possa vir a ser utilizada novamente nos processos de beneficiamento. Instalados próximos às barragens, os hidrociclones têm por objetivo separar o material (parte sólida do rejeito) em granulometrias diferentes, conhecidas por “underflow” ou “overflow”.

O material chamado de “overflow” caracteriza-se por ser um material mais fino e com uma considerável quantidade de água incorporada. Já o “underflow” é um material com partículas mais grossas e menor quantidade de água, o que faz com que o mesmo apresente

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melhores características de resistência e permeabilidade se comparado ao “overflow”. Em razão dessas características de cada um dos subprodutos da ciclonagem, o “overflow” é depositado diretamente no reservatório enquanto que o “underflow” é utilizado como o material de construção para o próprio barramento. É importante salientar que a separação do material promovida pelos hidrociclones só ocorre granulometricamente se todos os sólidos ciclonados apresentarem a mesma densidade real dos grãos. Se isso não ocorrer, a separação granulométrica pode ficar mascarada pela diferença da densidade real dos grãos. Isso significa que o “underflow”, por exemplo, pode se constituir por partículas mais finas, porém com altos valores de densidade real dos grãos e portanto mais pesadas, enquanto o “overflow” pode apresentar partículas mais grossas com menores valores de densidade real dos grãos, logo mais leves.

Os “spiggotings”, por sua vez, são um sistema de canhões uniformemente espaçados, que lançam os rejeitos ao longo da crista da barragem. A praia resultante neste tipo de lançamento tende a ser retilínea e uniforme. O problema se encontra, então, na formação de meandros fofos, resultados de um processo erosivo, que geram estratificações horizontais descontínuas, formando aterros anisotrópicos (Assis & Espósito, 1995).

Por último, o lançamento do rejeito na praia de deposição pode ser feito por um canhão isolado. Esse tipo de lançamento tende a formar praias de deposição cônicas, podendo haver interferências entre elas, conhecidas como estratificações cruzadas. Esse tipo de lançamento pode gerar problemas relacionados com deposições de praias adjacentes, podendo as novas deposições interferirem nas praias já lançadas, com ocorrência de erosões.

A escolha de uma ou outra forma de lançamento vai depender das características do rejeito produzido, dos equipamentos disponíveis, dos custos envolvidos e do projeto elaborado para o deposição desses rejeitos gerados.

2.1.2 O rejeito como material de construção

Os materiais normalmente utilizados como material de construção para as Barragens de Rejeito são não-coesivos, uma vez que os mesmos apresentam melhores características de resistência e permeabilidade. Essas características são fundamentais para um projeto, uma vez que os aterros hidráulicos deformam-se sob condições drenadas e sob condições não-drenadas podem sofrer liquefação e rupturas bruscas.

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Apesar dos rejeitos apresentarem granulometria arenosa, os mesmos não podem ser considerados como tal, visto que suas características mineralógicas, geotécnicas e físico-químicas variam em função do tipo e da forma de processamento do minério, atribuindo características bastante particulares para cada rejeito. Diferentemente de solos reais, os rejeitos são de formação recente e, muitas vezes lançados logo após gerados. Portanto, o seu comportamento deve ser definido através de estudos fundamentados na Mecânica dos Solos clássica, mas considerando-se as suas peculiaridades.

Os rejeitos normalmente são materiais considerados não apropriados para execução de estruturas, devido a sua susceptibilidade ao piping, liquefação, erodibilidade superficial e dificuldade de compactação. No entanto, devido ao grande volume gerado no processamento, à necessidade de depositar seguramente esse volume e por questões de economia, a utilização dos mesmos como material de construção de barragens é bastante difundida nas empresas mineradoras.

Segundo Chammas (1989), o rejeito pode ser utilizado como material de construção de barragens quando introduzidas as seguintes providências:

• separação dos rejeitos em fração grossa e lamas, utilizando-se apenas a fração areia na construção das barragens;

• controle dos procedimentos de separação para obter-se os materiais com as granulometrias requeridas;

• instalação de eficiente drenagem interna para o adequado abaixamento da superfície freática e redução do potencial de piping;

• compactação dos rejeitos com aumento da densidade e sua resistência ao piping; • proteção superficial.

É importante salientar que o comportamento geotécnico do rejeito, o qual condiciona a estabilidade das estruturas que utilizam o rejeito como material de construção, depende não só das características intrínsecas do material como também da forma de deposição. Na verdade, algumas propriedades geotécnicas dependem diretamente da forma como o material foi lançado na praia de deposição. Assim, variáveis como concentração da polpa, altura e velocidade de lançamento do rejeito devem ser levadas em consideração quando se objetivar a análise do comportamento do rejeito como material de construção. Logo, são dois os fatores que devem ser controlados para o sucesso de uma barragem de rejeito: as características geotécnicas do rejeito e sua deposição hidráulica.

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O monitoramento da densidade in situ e a medição das poropressões geradas são bons avaliadores da condição de estabilidade da barragem. A densidade in situ pode ser utilizada como uma boa forma de avaliação indireta da resistência e da permeabilidade de materiais granulares, ao passo que o controle de poropressão permite uma ação preventiva contra problemas como liquefação, instabilidade e piping.

A densidade in situ é um índice que muito depende da granulometria do material. Logo, essa densidade varia bastante ao longo da praia depositada, uma vez que a distribuição granulométrica na mesma é função da segregação hidráulica característica de aterros hidráulicos.

Ainda assim, a implantação de um controle de qualidade na execução das barragens de rejeito pode viabilizar a elevação das mesmas com segurança, mesmo frente a todos os fatores desfavoráveis. Basta que se faça a completa caracterização do rejeito a ser utilizado, acompanhando suas alterações no campo, bem como o controle das variáveis de deposição e das características da praia depositada.

2.1.3 Métodos Construtivos

As barragens para contenção de rejeitos podem ser alteadas em uma única etapa, utilizando-se métodos construtivos convencionais, ou podem ser alteadas em várias etapas, utilizando-se o próprio rejeito como material de construção. Os métodos construtivos e o controle de execução de barragens convencionais já são bastante estudados e conhecidos e não mais serão discutidos neste trabalho.

Utilizando o próprio rejeito como material de construção, três métodos construtivos de barragens de rejeito são destacados por Coates & Yu (1977) e Vick (1983): Método de Montante, Método de Jusante e Método da Linha de Centro (Figura 2.1).

No alteamento por montante, é construído um dique de partida de solo ou enrocamento compactado, e após a conclusão do mesmo, o rejeito é lançado a montante da linha de simetria da crista, formando uma praia de deposição. A praia será a fundação e, eventualmente, a fonte de material de construção do próximo alteamento. Esse processo se repete com alteamentos sucessivos até a elevação final prevista para a barragem. Dentre os três métodos citados acima, esse é o mais utilizado no Brasil. No entanto, na maioria das vezes, apresenta um baixo controle construtivo, tornando-se crítico em relação à segurança,

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principalmente se as mesmas forem construídas em áreas onde possam ficar sujeitas a carregamentos dinâmicos. Além disso, existem poucas medidas estruturais que podem ser tomadas para controlar o nível d’água (NA) interno da barragem, dificultando a prevenção contra possíveis problemas de estabilidade e de “piping” que possam vir a surgir com o aumento do NA dentro da barragem.

MÉTODO DE LINHA DE CENTRO

LAGOA N. A. PRAIA DE REJEITO REJEITODUTO DIQUE DE PARTIDA MÉTODO DE JUSANTE REJEITODUTO LAGOA N. A. PRAIA DE REJEITO DIQUE DE PARTIDA MÉTODO DE MONTANTE LAGOA N. A. PRAIA DE REJEITO DIQUE DE PARTIDA REJEITODUTO

Figura 2.1 - Métodos construtivos de barragens de rejeito

Todos esses fatores fazem com que o Método de Montante não seja recomendado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 1993b). Por outro lado, trata-se do método mais econômico, que utiliza menor quantidade de materiais controlados, não considerando o próprio rejeito da praia de deposição, e que permite uma maior rapidez no alteamento. Essas vantagens justificam estudos que possam vir a promover um controle de qualidade de execução desse tipo de barragem, de forma a torná-lo viável.

No Método de Jusante, após a conclusão do dique de partida, o material é lançado de forma que o eixo da barragem em cada alteamento vai se deslocando para jusante da mesma. Este método é o que exige maiores volumes de materiais de construção controlados, podendo ser utilizado o próprio rejeito, solos de empréstimos ou estéril proveniente de lavra. Se o rejeito for utilizado como material de construção, dependendo das características do mesmo e do tempo necessário para alteamento, deverá ser utilizado o “underflow” obtido da operação de hidrociclones, de forma que só a fração grossa seja utilizada no corpo da barragem.

Segundo Chammas (1989), as principais vantagens desse método são: • resistência a efeitos dinâmicos;

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• não interferência na operação dos rejeitos; • facilidade na execução da drenagem interna;

• aproveitamento integral das técnicas de barragens convencionais; • possibilidade de obedecimento integral das hipótese de projeto.

Apesar de todas essas vantagens, essa barragem é bastante onerosa, apresentando um alto custo de construção devido ao grande volume do maciço controlado ou compactado.

O Método da Linha de Centro é geometricamente uma solução intermediária entre o Método de Montante e o Método de Jusante. Como nos dois outros métodos, a barragem é iniciada com um dique de partida de solo compactado. Os alteamentos sucessivos se dão de tal forma que o eixo da barragem se mantém na posição inicial, ou seja, coincidente com o eixo do dique de partida. Assim, o espaldar de montante apoia-se nos rejeitos e o de jusante sobre toda a etapa subjacente. Estruturalmente, o seu comportamento se aproxima mais do comportamento de barragens alteadas pelo Método de Montante, apesar de permitir um controle da linha freática no talude de jusante do maciço, não tornando crítico a localização do nível de água de montante. É um método que apresenta facilidades construtivas e custos compatíveis, mas ainda apresenta alguns pontos críticos em relação à segurança.

A escolha de um ou outro método de execução irá depender de uma série de fatores tais como: tipo, características geotécnicas e nível de produção de rejeitos, necessidade de reservar água, necessidade de controle de água percolada, sismicidade, topografia, hidrologia, hidrogeologia e geologia local e custos envolvidos. No entanto, como as barragens alteadas pelo Método de Montante têm se mostrado de maior facilidade de execução e mais economicamente viáveis, essas têm sido as preferencialmente adotadas pelas empresas mineradoras.

Dentro desse contexto, é fundamental o estudo do comportamento geotécnico do rejeito, utilizado como principal material de construção e como fundação dos alteamentos sucessivos, uma vez que esse comportamento se encontra associado aos parâmetros responsáveis pelo funcionamento da barragem no que concerne à deformabilidade, estabilidade dos taludes e percolação.

2.2 CONTROLE DE QUALIDADE GEOTÉCNICO DURANTE O ALTEAMENTO DE BARRAGENS DE REJEITO