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
Pedro Guilherme Cipriano Silva
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DE ESTRADAS DE MINA NOS PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE
Ouro Preto 2019
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
Pedro Guilherme Cipriano Silva
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DE ESTRADAS DE MINA NOS PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral 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 Ciências em Engenharia Mineral.
Área de concentração:
Lavra de Minas
Orientador: HERNANI MOTA DE LIMA Coorientador: VIDAL FÉLIX NAVARRO TORRES
Ouro Preto 2019
IV
V
À minha avó materna (in memoriam), pelas bençãos, conselhos e eterno amor. À minha mãe pelo carinho, presença e sabedoria. Às minhas irmãs, pelo apoio e carinho.
VI
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Ouro Preto e ao Instituto Tecnológico Vale pela parceria firmada entre si na qual surgiu o projeto e pela oportunidade que me foi dada em participar ativamente no desenvolvimento do trabalho de pesquisa através da bolsa de mestrado.
Ao Prof. Dr. Hernani Mota de Lima pela orientação, por ter me aceitado como aluno orientando, pelas críticas, pelo apoio e incentivo durante todo período de execução da pesquisa. Agradeço pelas reuniões realizadas, discussões, otimismo e tranquilidade, além de todo conhecimento transmitido o qual contribuiu para o meu crescimento profissional e pessoal.
Ao Prof. Dr. Vidal Félix Navarro Torres pela coorientação, pelo acolhimento, pela condução e direcionamento do trabalho, sempre prezando pelo diálogo e pela busca do conhecimento através dos estudos. Agradeço por acreditar em mim e por me fornecer todas as ferramentas possíveis para a execução da pesquisa.
Ao grande parceiro Leandro Geraldo Canaan Silveira pelo auxílio, amizade, trabalho em equipe e sabedoria. Agradeço por me acompanhar em cada passo da pesquisa, sempre contribuindo com avaliações e críticas. Com você aprendi a contornar os obstáculos e a enxergar os problemas como grandes desafios os quais podemos superar através do esforço, dedicação e seriedade.
Aos professores do PPGEM que contribuíram para a minha formação, em especial a equipe docente de lavra de minas. Agradeço às aulas e projetos realizados, as dúvidas sanadas, a disponibilidade em sempre nos atender e todo conhecimento transmitido.
A toda equipe de funcionários do Instituto Tecnológico Vale, em especial a equipe de pesquisadores da área de lavra de minas que me acolheu e me fez sentir à vontade para a realização da pesquisa. Agradeço a troca de conhecimentos e experiências, ao compartilhamento de informações, incentivo e torcida.
Às equipes de infraestrutura das minas onde foram realizadas a pesquisa, em especial Carlos Roberto Campos Júnior, André Luiz Puygcerver do Carmo e Israel Alves Madeira. Agradeço por abrirem as portas para a coleta de dados e acesso às informações tão pertinentes para o trabalho de pesquisa.
Aos meus colegas de mestrado que me acompanharam diariamente nas aulas, trabalhos em grupo, projetos e artigos e a todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.
VII
EPÍGRAFE
Não importa quão longa seja a nossa estrada. Se por ventura estivermos indo por um caminho tortuoso, voltemos. Se precisarmos parar para refletir, paremos. O importante não é a distância ou o tempo que levamos e sim a certeza do que queremos buscar.”
VIII RESUMO
Em lavra de mina a céu aberto o transporte de minério e estéril representa grande parte dos custos de operação que incluem os de manutenção de vias e os de operação dos caminhões fora-de-estrada. A magnitude destes custos está atrelada, dentre outros fatores, às condições funcionais das estradas in pit, uma vez que a rugosidade existente em suas superfícies contribui no aumento da depreciação do veículo de transporte, redução de velocidade, aumento do tempo de viagem e, consequentemente, diminuição da produtividade. Nesse estudo, para fins de caracterização in situ utilizou-se a técnica de perfilagem a laser para obtenção das irregularidades longitudinais das superfícies de estradas em duas minas de minério de ferro de grande porte, traduzidas pelo Índice de Rugosidade Internacional (IRI). Dados das irregularidades obtidas por perfilagem a laser foram utilizados para avaliar a influência da rugosidade das estradas de mina nos parâmetros operacionais de transporte como resistência ao rolamento, velocidade média, tempo de viagem, produtividade e custo unitário de transporte dos caminhões fora-de-estrada. Os resultados obtidos permitiram concluir que o aumento da rugosidade da superfície das estradas de mina em uma amplitude de 10 centímetros pode provocar o aumento do coeficiente de resistência ao rolamento em 5%, redução da velocidade média em 25%, aumento do tempo de viagem em 26%, redução da produtividade em 19% e aumento do custo unitário de transporte em 21%.
IX ABSTRACT
In open pit mining, ore and waste haulage represents a large part of the operating costs that include road maintenance and off-road truck handling. The magnitude of these costs is linked, among other factors, to the functional conditions of in pit roads, since the roughness of their surfaces contributes to the increase of the depreciation of the haulage vehicle, reduction of speed, increase of travel time and, consequently, decreased productivity. For in situ characterization purposes, the laser profiling technique will be used to obtain the longitudinal irregularities of the road surfaces in two large-scale iron ore mines. Data from the irregularities obtained by laser profiling will be used to evaluate the influence of the mine roads roughness on the haulage operational parameters such as off-road trucks rolling resistance, speed, travel time, productivity and costs. The results showed that the increase of the mine roads surface roughness by 10 cm can increase the rolling resistance coefficient by 5%, reduce the average speed by 25%, increase the travel time in 26%, reduced productivity by 19% and increased haulage unit cost by 21%.
X
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
% Por cento ∆ Variação ∑ Somatório ∫ Integral ® Marca registrada ° Grau a0 Coeficientes do modelo HDM-4 a1 Coeficientes do modelo HDM-4 a2 Coeficientes do modelo HDM-4 a3 Coeficientes do modelo HDM-4
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres ARRB Australian Roads Research Board
ARS Average Rectified Slope
ASTM American Society for Testing and Materials b11 Parâmetro de resistência ao rolamento b12 Parâmetro de resistência ao rolamento b13 Parâmetro de resistência ao rolamento
C Capacidade de carga da caçamba
CAT Caterpillar
CBR California Bearing Ratio
cm Centímetro
Cop Custo operacional de transporte
cos Cosseno
CR1 Fator de resistência ao rolamento do pneu CR2 Fator de superfície de resistência ao rolamento CRR Coeficiente de resistência ao rolamento
Cunit Custo unitário operacional de transporte
DEF Deflexão
Di Distância do trajeto de ida
XI
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes Dv Distância do trajeto de volta
Dw Diâmetro do pneu
dx Intervalo entre os pontos do perfil dε Elemento infinitesimal de deformação
E Fator de eficiência da operação
ELSYM5 Elastic Layered System 5
Et Eficiência da transmissão
EUA Estados Unidos
exp Exponencial
f Função de regressão
Fa Força de aderência
Far Força de resistência do ar
FCLIM Fator climático
Ftotal Força motriz
fθ Coeficiente de resistência devido à inclinação da via
g Aceleração da gravidade
GR Relação de transmissão
h Hora
HDM-4 The Highway Design and Maintenance Standards Model 4
hp Horse power
HPMS Highway Performance Monitoring System IRI International Roughness Index
ISO International Organization for Standardization ITV Instituto Tecnológico Vale
K’ Coeficiente de forma
Kcr2 Fator de calibração
kg Quilograma
kg/hp Quilograma por cavalo-vapor
kg/t Quilograma por tonelada
kgf Quilograma-força
km Quilômetro
XII kN Quilonewton kNm Quilonewton-metro lb Libra LD Lado direito LE Lado esquerdo Li Posição do laser M Massa m Metro
m/km Metro por quilômetro
m/s Metro por segundo
m/s² Metro por segundo ao quadrado
Máx Máximo
Min Mínimo
min Minuto
mm Milímetro
mm/m Milímetro por metro
mph Milhas por hora
N Newton
n Número de iterações
N/kg Newton por quilograma
NA Não se aplica
NBR National Board of Review
Nw Quantidade de pneus
P Produtividade
PCTDS Porcentagem de viagens em condição climática de neve PCTDW Porcentagem de viagens em condição climática de chuva Pj Coeficiente do cálculo do IRI
Pot Potência do caminhão
PPGEM Programa de Pós-graduação em Engenharia Mineral QI Quociente de Irregularidade
R Raio
r Relação peso/potência
XIII
Rar Resistência do ar
RDS Pontuação de defeito de rugosidade
Ri Resistência de inércia
Rom Resistência oposta ao movimento
RR Resistência ao rolamento
RRMIN Resistência ao rolamento mínima
RS Rectified Slope
Rθ Resistência devido à inclinação da via
S Área da seção normal
s Segundo
sen Seno
Sij Coeficiente do cálculo do IRI
T Esforço de tração
t Tempo
t Tonelada
t/h Tonelada por hora
Tc Tempo de ciclo
Tdsp Profundidade da textura
ton Tonelada métrica
Tq Torque do motor
Tv Tempo variável ou tempo de viagem total
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais UFOP Universidade Federal de Ouro Preto
US$ Dólar americano
US$/h Dólar por hora US$/t Dólar por tonelada
v Velocidade
vi Velocidade média carregado
vm Velocidade média
vmax Velocidade máxima
vv Velocidade média vazio
W Carga imposta ao pneu
XIV
Ya Elevação do ponto A do perfil
Zj Ponto do perfil
θ Ângulo teta
XV
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 – Representação esquemática da força normal e de resistência (Traduzido de
Hustrulid, 2013). ... 35
Figura 2.2 – Representação hierárquica dos parâmetros que influenciam a produtividade e custos de transporte. ... 37
Figura 2.3 – Estrutura do pavimento (Adaptado de Bernucci et al.; 2007 apud Reis, 2014). . 39
Figura 2.4 – Minimização dos custos de manutenção de via e operação do veículo de transporte (Traduzido de Thompson, 1996). ... 42
Figura 2.5 – Aplicação funcional da canga laterítica no revestimento de pistas (Vieira, 2013). ... 47
Figura 2.6 – Aplicação funcional da máfica decomposta no revestimento de pistas (Vieira, 2013). ... 48
Figura 2.7 – Interação pneu-solo durante o tráfego de veículos de transporte (Adaptado de Holman, 2006). ... 50
Figura 2.8 – Resistência ao rolamento enfrentado pelos caminhões fora-de-estrada, em uma mina de ferro (Vieira, 2013). ... 52
Figura 2.9 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em declive (Manual técnico da Caterpillar, 2012). ... 53
Figura 2.10 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em aclive (Manual técnico da Caterpillar, 2012). ... 54
Figura 2.11 – Distribuição da força de gravidade em um caminhão fora-de-estrada durante a subida (Adaptado de López Jimeno et al., 2015). ... 59
Figura 2.12 – Valores de IRI para diversos tipos de pistas e estado de manutenção (Bernucci et al., 2006 apud Echeverria, 2011). ... 64
Figura 2.13 – Princípio de medição do IRI (Adaptado de Freitas et al., 2009). ... 66
Figura 2.14 – Perfilógrafo longitudinal a laser (Strata Engenharia, 2018). ... 68
Figura 3.1 – Proposta do trabalho de pesquisa. ... 71
Figura 3.2 – Estrada A (ITV, 2018). ... 73
Figura 3.3 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ... 73
XVI
Figura 3.5 – Estrada B (ITV, 2018). ... 74
Figura 3.6 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ... 75
Figura 3.7 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018). ... 75
Figura 3.8 – Estrada C (ITV, 2018). ... 77
Figura 3.9 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ... 77
Figura 3.10 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018). ... 78
Figura 3.11 – Estrada D (ITV, 2018). ... 78
Figura 3.12 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ... 79
Figura 3.13 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018). ... 79
Figura 3.14 – Estrada E (ITV, 2018). ... 80
Figura 3.15 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ... 80
Figura 3.16 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018). ... 81
Figura 3.17 – Caminhão fora-de-estrada modelo Caterpillar 793D considerado para o estudo dos parâmetros operacionais de transporte (ITV, 2018). ... 82
Figura 3.18 – Etapas e sequenciamento da pesquisa. ... 84
Figura 3.19 – Plataforma existente e dimensões do caminhão CAT793D (ITV, 2018). ... 85
Figura 3.20 – Posicionamento das unidades laser em relação ao centro de aplicação de carga das rodas gêmeas traseiras por trilha de roda e faixa de tráfego (ITV, 2018). ... 86
Figura 3.21 – Plataforma existente, dimensões do caminhão CAT793D e posicionamento do equipamento de levantamento da Irregularidade Longitudinal (ITV, 2018)... 87
Figura 3.22 – Escala do IRI para diferentes tipos de pavimento (ITV, 2018). ... 88
Figura 3.23 – Escala do IRI para pavimentos primários (ITV, 2018). ... 89
Figura 3.24 – Amostra do relatório da rugosidade medida na estrada A da mina 1 (ITV, 2018). ... 91
Figura 3.25 – Exemplo esquemático de cálculo do IRI médio em uma seção transversal da via. ... 91
XVII
Figura 3.27 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da
via. ... 94
Figura 3.28 – Representação esquemática da caracterização dos trechos das estradas. ... 95
Figura 3.29 – Variabilidade da velocidade média dos caminhões fora-de-estrada 793D das minas 1 e 2. ... 97
Figura 3.30 – Rugosidade como variável de controle dos parâmetros operacionais de transporte. ... 100
Figura 4.1 – Intervalo de confiança de 95% para a média da rugosidade em cada estrada. .. 101
Figura 4.2 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada A (mina 1). ... 102
Figura 4.3 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada B (mina 1). ... 102
Figura 4.4 – Rugosidade média da superfície da estrada C (mina 2). ... 103
Figura 4.5 – Rugosidade média da superfície da estrada D (mina 2). ... 103
Figura 4.6 – Rugosidade média da superfície da estrada E (mina 2). ... 104
Figura 4.7 – Coeficiente de resistência ao rolamento médio a que os caminhões são submetidos na ida e retorno. ... 107
Figura 4.8 – Efeito do aumento da carga imposta ao pneu na variabilidade do coeficiente de resistência ao rolamento (Adaptado de LaClair, 2006). ... 108
Figura 4.9 – Influência do aumento da carga imposta aos pneus do caminhão 793D na resistência ao rolamento e seu coeficiente. ... 109
Figura 4.10 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via. ... 110
Figura 4.11 – Proporção dos trechos horizontais e inclinados para cada estrada. ... 114
Figura 4.12 – Influência da rugosidade no coeficiente de resistência ao rolamento. ... 117
Figura 4.13 – Influência da rugosidade da estrada da mina A na velocidade média e tempo de viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ... 119
Figura 4.14 – Influência da rugosidade da estrada da mina A no tempo de viagem total e produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D... 120
Figura 4.15 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada A. ... 120
Figura 4.16 – Influência da rugosidade da estrada da mina B na velocidade média e tempo de viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ... 121
XVIII
Figura 4.17 – Influência da rugosidade da estrada da mina B no tempo de viagem total e produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D... 122 Figura 4.18 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada B... 122 Figura 4.19 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na velocidade média e tempo de viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ... 123 Figura 4.20 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D e custo unitário de transporte. ... 124 Figura 4.21 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada C... 125 Figura 4.22 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada C... 125 Figura 4.23 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na velocidade média e tempo de viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ... 126 Figura 4.24 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D e custo unitário de transporte. ... 127 Figura 4.25 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada D. ... 127 Figura 4.26 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada D. ... 128 Figura 4.27 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na velocidade média e tempo de viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ... 129 Figura 4.28 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D e custo unitário de transporte. ... 130 Figura 4.29 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada E. ... 130 Figura 4.30 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada E. ... 131
XIX
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Coeficiente de aderência entre pneus de borracha e vários tipos de pista. ... 46
Tabela 2.2 – Coeficiente de resistência ao rolamento para alguns pneus e pavimentos. ... 49
Tabela 2.3 – Grau e extensão dos defeitos observados em estradas de mina... 50
Tabela 2.4 – Valores de resistência ao rolamento de acordo com a flexão e penetração do pneu no solo. ... 51
Tabela 2.5 – Fator de resistência ao rolamento do pneu ... 58
Tabela 2.6 – Fator de calibração para classes de veículos. ... 58
Tabela 2.7 – Coeficientes do fator de superfície de resistência ao rolamento. ... 58
Tabela 2.8 – Possíveis situações para locomoção do veículo. ... 62
Tabela 3.1 – Características das estradas da mina 1 selecionadas para o estudo de caso. ... 72
Tabela 3.2 – Características das estradas da mina 2 selecionadas para o estudo de caso. ... 76
Tabela 3.3 – Base de dados consolidada referente à atividade de transporte nas minas 1 e 2. 83 Tabela 3.4 – Valores de IRI em condições secas e úmidas. ... 90
Tabela 3.5 – Critério adotado para classificação da condição funcional da via. ... 90
Tabela 3.6 – Base de dados utilizada no modelo HDM-4 para estimação da resistência ao rolamento. ... 92
Tabela 3.7 – Base dados para estimação da velocidade máxima. ... 96
Tabela 3.8 – Fator de redução da velocidade máxima à velocidade média. ... 98
Tabela 4.1 – Estatística descritiva dos resultados de rugosidade das estradas das minas 1 e 2. ... 101
Tabela 4.2 – Resultados qualitativos de rugosidade. ... 104
Tabela 4.3 – Coeficiente de resistência ao rolamento das estradas das minas 1 e 2, em %. .. 105
Tabela 4.4 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada A. .. 110
Tabela 4.5 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada B. .. 111
Tabela 4.6 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada C. .. 112
XX
Tabela 4.8 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada E. .. 113 Tabela 4.9 – Velocidades e tempos de viagem estimados para o caminhão fora-de-estrada. 115 Tabela 4.10 – Produtividade e custo unitário de transporte. ... 115 Tabela 4.11 – Influência da rugosidade das estradas das minas 1 e 2 nos parâmetros operacionais de transporte. ... 116
SUMÁRIO
RESUMO ... VIII ABSTRACT ... IX LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ... X LISTA DE ILUSTRAÇÕES ...XV LISTA DE TABELAS ... XIX
1 APRESENTAÇÃO ... 23 1.1 INTRODUÇÃO... 23 1.2 JUSTIFICATIVA ... 26 1.3 OBJETIVOS ... 29 1.3.1 Objetivo geral ... 29 1.3.2 Objetivos específicos ... 29 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 30 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 32
2.1 ASPECTOS ECONÔMICOS DE TRANSPORTE EM MINA A CÉU ABERTO ... 32
2.1.1 Produtividade dos caminhões ... 32
2.1.2 Custos operacionais ... 35
2.2 ASPECTOS GERAIS DE ESTRADAS EM MINA A CÉU ABERTO ... 37
2.2.1 Concepção básica sobre estradas de mina e suas particularidades ... 38
2.2.2 Revestimentos primários ... 40
2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SUPERFÍCIE DO REVESTIMENTO DAS ESTRADAS DE MINA... 41
2.3.1 Rugosidade ... 42
2.3.2 Tração e aderência ... 44
2.4 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO ... 46
2.4.1 Modelo matemático de resistência ao rolamento: HDM-4 ... 55
2.5 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA... 58
2.6 RESISTÊNCIA DE INÉRCIA E RESISTÊNCIA DO AR ... 60
2.7 MECÂNICA DO MOVIMENTO DE MÁQUINAS ... 61
2.8 CARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL DO REVESTIMENTO DE ESTRADAS DE MINA ... 62
2.8.1 Índice de Rugosidade Internacional - IRI ... 63
2.8.3 Equipamento e tecnologia para medição do IRI ... 67
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 70
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 70
3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ... 71
3.3 UNIDADES AMOSTRAIS ESCOLHIDAS ... 72
3.4 BASE DE DADOS DE TRANSPORTE ... 81
3.5 ETAPAS E MÉTODOS EMPREGADOS ... 84 3.5.1 Perfilagem a laser e caracterização da rugosidade em estradas de mina ... 85 3.5.2 Estimação da resistência ao rolamento ... 92 3.5.3 Estimação da resistência devido à inclinação da via ... 94 3.5.4 Estimação da velocidade máxima e tempo de viagem ... 95 3.5.5 Estimação da produtividade e custo unitário de transporte ... 99 3.5.6 Avaliação da influência da rugosidade nos parâmetros operacionais de transporte .. 100
4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 101
4.1 RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE DAS ESTRADAS DE MINA... 101
4.2 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO ... 105 4.3 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA... 109 4.4 VELOCIDADE E TEMPO DE VIAGEM ... 114 4.5 PRODUTIVIDADE E CUSTO UNITÁRIO DE TRANSPORTE ... 115 4.6 INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NOS PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE ... 116
4.6.1 Estrada A ... 118 4.6.2 Estrada B ... 121 4.6.3 Estrada C ... 123 4.6.4 Estrada D ... 126 4.6.5 Estrada E ... 128
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS... 132
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 136 APÊNDICE A ... 142 APÊNDICE B ... 144 ANEXO A ... 146
1 APRESENTAÇÃO
Este capítulo apresenta a natureza do trabalho de pesquisa via descrição dos princípios básicos que norteiam a mineração quanto à rugosidade das vias e sua influência no transporte de material por caminhões fora-de-estrada em uma mina a céu aberto. Os elementos que constituem tal atividade e a influência direta das características estruturais e funcionais das estradas na produtividade e custos associados aos equipamentos são também apresentados, assim como a justificativa, os objetivos e a estrutura de organização da dissertação.
1.1 INTRODUÇÃO
A crescente busca pela maximização da produtividade e minimização dos custos em qualquer empreendimento propicia e estimula o desenvolvimento e aperfeiçoamento de ferramentas e métodos que auxiliem a tomada de decisão. Na mineração, isso envolve um amplo conhecimento das rotinas operacionais e dos parâmetros que influenciam cada setor da cadeia produtiva, desde a prospecção e pesquisa do bem mineral de interesse até o embarque do produto final para os clientes.
Neste contexto, Hustrulid (2013) ressalta a atenção que se deve direcionar para a atividade de transporte em lavra de mina a céu aberto, uma vez que os caminhões têm se tornado o meio primário para a movimentação de minério e estéril e os custos associados à essa operação podem representar, comumente, a maior parcela dos custos totais de lavra quando comparados às operações unitárias de perfuração, desmonte de rocha e carregamento.
Thompson e Visser (1999) destacam a evolução do porte de caminhões fora-de-estrada, devido à expansão em tamanho e número das minas a céu aberto. Atualmente, esses caminhões alcançam capacidade de transporte de carga superior a 370 toneladas.
Por outro lado, o aumento do fluxo e carga de transporte na maior parte das minas a céu aberto faz com que as estradas de mina apresentem defeitos em intervalos de tempos cada vez menores, que impactam no aumento dos custos operacionais e na diminuição da produtividade. O consumo de combustível, a manutenção e reposição de peças, a utilização de pneus e a mão de obra compõem estes custos (LÓPEZ JIMENO et al., 2015). A produtividade, por outro lado, representada pela quantidade de material transportada por unidade de tempo tem influência de diversos fatores, dos quais, o tempo de viagem do caminhão é um dos mais importantes.
O tempo de viagem de um caminhão inclui o tempo de ida carregado com minério ou estéril para descarregamento no ponto de destino previamente estabelecido somado ao tempo de retorno vazio a uma frente de lavra disponível. O tempo de viagem depende da manobrabilidade do caminhão, condições da estrada, dificuldades operacionais e do desempenho do operador (KENNEDY, 2009). Uma condição precária de estradas de mina, de modo geral, implica num aumento do tempo de viagem pois o operador tende a reduzir a velocidade do caminhão devido aos defeitos e obstáculos encontrados na pista.
Desta forma, o projeto, a gestão e manutenção das estradas formam os principais componentes a serem considerados e avaliados quando se busca melhorias nesta atividade, conforme Thompson (2010), pois o local de movimentação do caminhão irá interferir diretamente na economicidade, na produtividade e na segurança da operação.
Este local, composto pelos acessos ou vias de tráfego, são dimensionados conforme se planeja a lavra do bem mineral e segue a geometria da cava final projetada, sendo, portanto, limitado por este parâmetro. Thompson e Visser (2003) e Oliveira Filho et al. (2010c apud REIS, 2014) ainda afirmam que o dimensionamento de uma estrada de mina, de modo geral, é empírico e baseado em experiências locais das equipes técnicas responsáveis. Uma vez que se distanciam das características de pavimentos rodoviários, as estradas de mina devem ser tratadas de modo diferenciado, levando em conta os parâmetros que pertencem àquela realidade.
Vários estudos foram realizados com o objetivo de se obter uma metodologia de dimensionamento de estradas de mina para um transporte econômico, produtivo e seguro, com destaque para Kaufman e Ault (1977), Thompson (1996), Tannant e Regensburg (2001), Ferreira (2007), Sousa et al. (2012), Reis (2014), Soofastaei et al. (2015) e Baek e Choi (2017).
Kaufman e Ault (1977) analisaram bancos de dados com diversos parâmetros de modelos diferentes de caminhões fora-de-estrada e estabeleceram critérios de projetos de estradas de mina a partir da identificação e análise das limitações de performance destes veículos. Os autores, então, elaboraram um manual completo de práticas recomendadas para o dimensionamento, construção e manutenção das estradas de mina de modo a garantir a segurança e eficiência de transporte.
Os diversos tipos de materiais que compõe a camada de revestimento do pavimento de estradas de mina foram estudados por Thompson (1996) no qual recomenda valores efetivos de módulo de elasticidade para estes materiais de modo a contribuir para sua seleção no
dimensionamento do pavimento. O autor também desenvolveu uma avaliação qualitativa da rugosidade da superfície das estradas de mina, através de um sistema de pontuação em que se associa o grau de severidade e extensão das irregularidades da via.
Tannant e Regensburg (2001) propõem uma metodologia para dimensionamento de estradas de mina que contempla desde a geometria e estrutura de construção até os materiais a serem utilizados e a economia gerada. Os autores ainda discorreram sobre a influência da superfície das estradas na trafegabilidade dos caminhões, e destacam a rugosidade da via e a resistência ao rolamento como fatores críticos que impactam o desempenho imediato e de longo prazo dos custos operacionais:
A maioria das vias de transporte de mina não são pavimentadas. [...]. A condição da superfície da via tem impacto significativo no desempenho imediato e de longo prazo dos custos operacionais de transporte. A rugosidade e a resistência ao rolamento são dois fatores críticos. Ondulações, irregularidades e buracos geram forças de impacto que são transferidas através dos pneus para a suspensão, chassi e motor do caminhão. Tais forças são aproximadamente proporcionais ao peso bruto do veículo e crescem exponencialmente com a velocidade do caminhão. Portanto, com os caminhões de hoje muito maiores e operando em altas velocidades, a condição da superfície da estrada é extremamente importante. As forças de impacto reduzem a vida útil do pneu, aumentam os custos com pneus, aumentam a fadiga do metal na suspensão e no chassi dos caminhões, aumentam os custos de manutenção e encurtam a vida útil do caminhão. (TANNANT; REGENSBURG, 2001, p. 43, traduzido pelo autor).
A partir da resposta mecânica de um pavimento, um ábaco para o dimensionamento de estradas mineiras para o tráfego de caminhões fora-de-estrada foi proposto por Ferreira (2007) baseado em resultados obtidos em um pavimento experimental, no qual foram controladas variáveis como deflexão, rigidez e módulo de elasticidade das camadas desta estrutura.
Sousa et al. (2012) dimensionaram uma estrada de mina com materiais típicos ocorrentes em mineração de minério de ferro através de métodos empíricos que usam o Índice de Suporte Califórnia ou California Bearing Ratio (CBR) e um método adaptado do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (DNER), atual Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT). Os resultados obtidos pela comparação entre os dois métodos através do software ELSYM5 mostraram diferença de tamanho das espessuras de base e sub-base, sem alteração da espessura total do pavimento. A partir da variação do módulo de elasticidade, os autores obtiveram um dimensionamento mais adequado e, com isso, demonstraram a importância da realização de ensaios de caracterização física de materiais que compõem as estradas de mina.
Reis (2014) propôs um sistema de classificação de estradas de mina baseado na padronização de procedimentos de avaliação nas fases de projeto, construção e manutenção. Determinou-se um conjunto de fatores a serem considerados em cada fase e o sistema de classificação permite a obtenção da estrada de mina adequada dentro da sua função.
As restrições geométricas da mina sobre o dimensionamento de estradas de mina são tratadas por Baek e Choi (2017) que propõem que o layout de uma estrada seja otimizado usando a análise de caminho de menor custo, e as seções de estrada em zigue-zague resultantes sejam simplificadas pela aplicação do algoritmo de Douglas-Peucker1.
Por fim, Soofastaei et al. (2015), ao avaliarem os parâmetros que mais influenciam a resistência ao rolamento, indicam que a rugosidade da superfície de uma estrada de mina representa 60% na variabilidade da resistência ao rolamento. Esse resultado demonstra a importância da caracterização da rugosidade de superfície e sua consideração nos projetos de dimensionamento de estradas de mina.
1.2JUSTIFICATIVA
Estradas de minas a céu aberto para movimentação de minério e estéril são objetos de destaque na gestão operacional de lavra, tendo, em muitos casos, setores e equipes específicas, uma vez que as realidades estrutural e funcional destas estradas diferem amplamente das de uso rodoviário. As estradas de mina devem ser projetadas e construídas de modo a suportar a trafegabilidade dos veículos e garantir a economicidade e segurança no transporte de materiais.
O revestimento ou camada superficial das estradas mineiras, constituindo-se elemento fundamental na interação pneu-solo, exerce papel importante na busca destas garantias, pois possui como função resistir à transmissão de esforços verticais e horizontais oriundos do fluxo de veículos e fornecer resistência adequada ao rolamento de pneus dos caminhões. Logo, a manutenção dessas estruturas através do controle da resistência ao rolamento mediante a caracterização das irregularidades ou rugosidades existentes e a avaliação dos impactos econômicos que estas exercem na operação de transporte são importantes para o setor.
Aproximadamente 50% dos custos de operação são comumente oriundos da atividade de transporte de minério e estéril (HUSTRULID, 2013; THOMPSON E VISSER, 2003;
1
Proposto em 1973, é o algoritmo mais citado na literatura de geoprocessamento. É utilizado para reduzir número de pontos em uma poligonal que representa uma estrada, por exemplo. (DAVIS, 2000).
NORGATE E HAQUE, 2010 apud COFFEY et al., 2018). Os custos de transporte são compostos pelo consumo de combustível, aquisição de pneus, materiais e serviços para manutenção dos pneus e veículos, mão de obra para composição do staff operacional e manutenção das vias de acesso, entre outros.
Diversos estudos com o objetivo de minimizar os custos de transporte e maximizar a produtividade, no que tange à operação em lavra de mina a céu aberto, foram realizados e publicados. Destacam-se os trabalhos de Wood (1994), Thompson e Visser (2000, 2003), Douglas e Lawrence (2014), Soofastaei et al. (2015), Richardson e McIver (2015) e Coffey et
al. (2018).
Wood (1994) desenvolveu um modelo bidimensional, baseado na teoria clássica da mecânica do solo, que permite que a profundidade do sulco em uma estrada seja estimada a partir das informações contidas no relatório de investigação do local. Segundo o autor, a profundidade do sulco pode ser incorporada nas equações de regressão para estimar a resistência ao rolamento e estabelecer um ciclo ótimo de manutenção das estradas de transporte.
Thompson e Visser (2000), através de estudos em algumas minas a céu aberto da África do Sul, propuseram o aperfeiçoamento de técnicas de construção e gestão de estradas apropriadas para as cargas transportadas pelos veículos atualmente em uso. O projeto estrutural melhorado resultou em uma economia de 29% nos custos de construção, enquanto que a seleção de materiais de revestimento ideais proporcionou melhor funcionalidade com custos operacionais totais de transporte mais baixos.
Thompson e Visser (2003) ressaltam a influência da condição das estradas, medida através de sua rugosidade, no aumento dos custos de transporte e elaboraram um sistema de gestão de manutenção de vias com base no parâmetro de resistência ao rolamento e custo de operação do veículo, de modo a otimizar a frequência de manutenção.
Douglas e Lawrence (2014), ao analisar a influência da condição da via na performance dos caminhões fora-de-estrada, concluem que a velocidade e o consumo de combustível são fortemente afetados pela inclinação da via e pela rigidez do pavimento. E indicam a necessidade de mudanças na inclinação e na estrutura do pavimento, para reduzir a resistência ao rolamento e melhorar a produtividade dos caminhões.
Soofastaei et al. (2015) identificaram, em uma mina de carvão na Austrália, os parâmetros mais influentes na resistência ao rolamento e o efeito desses no consumo de combustível dos caminhões fora-de-estrada. Os resultados da pesquisa mostram que a
condição da estrada, a pressão de inflação dos pneus e a velocidade do caminhão são os parâmetros mais importantes na resistência ao rolamento.
Richardson e McIver (2015) desenvolveram um sistema de medição da rugosidade da superfície das estradas que fornece relatórios pictóricos diários em uma mina, com o intuito de identificar áreas que necessitam de manutenção. O sistema permite ainda estimar o consumo de combustível e avaliar o efeito da rugosidade em sua variação. Com os dados obtidos, os autores pretendem criar novos algoritmos capazes de predizerem onde as irregularidades na estrada ocorrerão, para permitir que estratégias de manutenção preventiva sejam empregadas.
Coffey et al. (2018) avaliaram o impacto da textura, rugosidade e deflexão do pavimento na resistência ao rolamento experimentada por caminhões fora-de-estrada. A resistência ao rolamento foi calculada através do registro de dados do torque do motor da roda e a medição das propriedades do pavimento foi concluída utilizando perfilagem a laser. Os resultados obtidos mostraram que a rugosidade e a deflexão do pavimento foram os parâmetros que influenciaram significativamente a resistência ao rolamento.
Diante do exposto, verifica-se, de modo geral, que a condição funcional das vias de transporte de minério e estéril – caracterizada pela rugosidade superficial do pavimento – é um parâmetro fundamental a ser considerado no projeto de dimensionamento das estradas de mina. Ao se determinar a rugosidade, a resistência ao rolamento a que os caminhões fora-de-estrada são submetidos pode ser controlada dentro de uma faixa definida e, assim, contribuir na gestão de redução de custos, aumento de produtividade e garantia de segurança de tráfego.
Diretrizes da Caterpillar ressaltam a importância em mensurar a rugosidade da via:
As condições da estrada ditam a velocidade, consumo de combustível, vida útil do pneu, segurança e tonelagem anual movimentada. Superfícies limpas e lisas estendem a vida útil dos pneus aos caminhões de mineração e reduzem a chance de danos à máquina ou acidentes devido a riscos na estrada. Inclinações suaves e constantes minimizam as mudanças de transmissão, permitem que os motoristas mantenham velocidades médias mais altas, permitem um esforço de frenagem mais constante nos retornos e reduzem o derramamento e o consumo de combustível. Por outro lado, estradas de mineração mal projetadas ou preservadas podem levar a um aumento dramático dos custos causados pela perda de produtividade, redução da vida útil do pneu, maior consumo de combustível, desgaste excessivo de componentes, reparo e substituição de equipamentos importantes e problemas de segurança. Mesmo estradas de transporte excepcionalmente projetadas exigem tempo e esforço para se manter em boa forma. A manutenção regular ajuda a eliminar os pequenos decréscimos de velocidade - e os aumentos nos tempos de ciclo - que afetam negativamente a produção horária e anual. (CATERPILLAR, 2015 apud RICHARDSON; MCIVER, 2015, p. 2, traduzido pelo autor).
Portando, este estudo se justifica pela necessidade de quantificar a rugosidade superficial das estradas de mina de modo a enriquecer as informações necessárias para a determinação dos parâmetros operacionais de transporte (resistência ao rolamento, velocidade e tempo de viagem dos caminhões, produtividade e custo unitário de transporte), e assim auxiliar no dimensionamento de frota e na tomada de decisão acerca da gestão de manutenção das estradas de mina. Ressalta-se que não há registro na literatura brasileira de trabalhos realizados neste sentido, considerando a rugosidade como parâmetro quantitativo.
1.3 OBJETIVOS
Os objetivos a serem alcançados através do desenvolvimento deste trabalho de pesquisa são divididos em objetivo geral e específicos.
1.3.1 Objetivo geral
O objetivo geral é quantificar a rugosidade existente no revestimento de estradas de mina a céu aberto e avaliar o impacto deste parâmetro na resistência ao rolamento, velocidade, tempo de viagem, produtividade dos caminhões fora-de-estrada e custos operacionais de transporte.
1.3.2 Objetivos específicos
São objetivos específicos:
a) caracterizar qualitativamente e quantitativamente as estradas de mina quanto às irregularidades existentes em sua superfície através da técnica de perfilagem a
laser, e obtenção da rugosidade através do Índice de Rugosidade Internacional
(IRI);
b) estimar a resistência ao rolamento mínima em estradas de duas minas de minério de ferro de grande porte por meio de um modelo matemático;
c) estimar a velocidade média que os caminhões fora-de-estrada podem desenvolver nas estradas destas minas e o tempo de viagem necessário, considerando as forças
de resistência ao rolamento, resistência devido à inclinação da via e resistência de inércia;
d) avaliar a influência da rugosidade superficial das estradas de mina na variabilidade da resistência ao rolamento, velocidade média e tempo de viagem dos caminhões fora-de-estrada, produtividade e custo unitário de transporte.
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Esta dissertação está estruturada em cinco capítulos, incluindo este capítulo preliminar, no qual são apresentadas a natureza do trabalho de pesquisa, os objetivos a serem alcançados e a justificativa em realizar tal pesquisa de modo a contribuir para o setor acadêmico e industrial na área da mineração. O estudo aborda o impacto do dimensionamento de estradas de mina na produtividade e nos custos de lavra de mina a céu aberto no que diz respeito ao transporte de minério e estéril, bem como a influência das condições do pavimento como elemento protagonista no sistema de dimensionamento de estradas e avaliação dos parâmetros operacionais de transporte.
O segundo capítulo apresenta os conceitos e fundamentos teóricos necessários para compreensão do tema em estudo por meio de uma concisa revisão da literatura. São abordados aspectos gerais sobre o sistema de transporte por caminhões em mina a céu aberto, como produtividade dos equipamentos e custos operacionais; aspectos gerais das estradas, como as fases que compõem o dimensionamento das mesmas; aspectos sobre a superfície do pavimento, através dos conceitos de rugosidade superficial, tração e forças que se opõem ao movimento dos caminhões; e técnicas de medição e quantificação da rugosidade superficial de pavimentos.
O terceiro capítulo discorre sobre os materiais e métodos empregados na pesquisa, bem como as etapas necessárias para o desenvolvimento e conclusão da dissertação. É apresentado o estudo de caso realizado em duas minas de minério de ferro de grande porte, que contempla desde a seleção das estradas e coleta de dados por meio da perfilagem a laser e consulta a banco de dados até o processamento das informações através de critérios preestabelecidos, modelos matemáticos e ferramentas estatísticas.
O quarto capítulo se dedica aos resultados obtidos, no qual são realizadas discussões sobre a influência da rugosidade nos parâmetros operacionais de transporte por caminhões
fora-de-estrada em lavra de mina a céu aberto. São utilizados recursos gráficos por meio de tabelas e figuras.
O quinto capítulo – e último – apresenta a conclusão do estudo de caso enfatizando a aderência dos resultados obtidos aos objetivos previamente estabelecidos, evidencia a contribuição deste projeto para o setor acadêmico e à indústria da mineração e apresenta as recomendações para a continuação deste estudo com o intuito de aprimorar técnicas utilizadas levando em consideração parâmetros não avaliados e que necessitam de outra abordagem a qual não foi o foco desta pesquisa.
2 REVISÃO DE LITERATURA
Na revisão que se segue são apresentados os conceitos e fundamentos teóricos necessários para compreensão do objeto de estudo, bem como o estado da arte acerca da produção científica realizada e divulgada, contextualizando o tema.
2.1ASPECTOS ECONÔMICOS DE TRANSPORTE EM MINA A CÉU ABERTO
O principal objetivo do sistema de transporte em mina a céu aberto é a movimentação de material de um ponto para outro com o menor custo possível. Para isso são utilizados, em sua maioria, caminhões como veículos de transporte. Historicamente houve uma evolução do porte desses equipamentos, devido ao aumento da produção nas minas.
Conforme López Jimeno et al. (2015), as capacidades dos caminhões variaram desde 5 toneladas em 1935, passando por 200 toneladas na década de 80 e chegando a 450 toneladas nos dias atuais, acarretando grandes investimentos na aquisição da frota. Assim, a necessidade de aumento de produtividade e redução dos custos na operação destes equipamentos são fundamentais para a gestão econômica dos projetos minerários.
2.1.1 Produtividade dos caminhões
No transporte de minério e estéril realizado por caminhões em minas a céu aberto, a produtividade consiste na relação entre a quantidade de material transportado, em toneladas, desde um ponto de origem específico (frente de lavra) até um ponto de destino (pilha de estéril, britagem, pátio de estoque, entre outros) e o tempo necessário para o transporte, em horas.
A produtividade é um indicador operacional importante para o dimensionamento da frota de carregamento e transporte (SOUSA JÚNIOR, 2012), cujo objetivo é atender ao planejamento da lavra através de uma produção previamente estabelecida. Sua maximização é importante, pois proporciona a amortização dos investimentos de aquisição dos equipamentos e a obtenção de baixos custos de produção. Entretanto, é limitada por fatores como a velocidade limite de tráfego, usualmente compreendida em 40 km/h ou 50 km/h, com o intuito de preservar a segurança. É expressa pela equação (1) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).
... (Equação 1)
Onde:
P é a produtividade (t/h);
C é a capacidade de carga real da caçamba do caminhão (t);
E é o fator combinado da eficiência do operador e condição do equipamento; Tc é o tempo de ciclo do caminhão (min).
De acordo com a equação (1), pode-se dizer que a capacidade de carga real do caminhão depende da densidade do material fragmentado ou empolado e do volume e fator de enchimento da caçamba (LÓPEZ JIMENO et al., 2015). O tempo de ciclo corresponde ao somatório dos tempos fixos (carregamento, manobra, descarregamento e espera) e tempos variáveis (viagem carregado e viagem vazio) despendidos na operação do caminhão.
O aumento da produtividade é consequência de um aumento da carga média transportada pelo caminhão ou diminuição do seu tempo de ciclo. A carga média é limitada pela capacidade da caçamba do caminhão, sendo, assim, um parâmetro de controle limitado. Contudo, há registros no estado da arte de trabalhos realizados no sentido de manutenção deste parâmetro.
Hodges et al. (2018) realizaram a estabilização da carga média de transporte de minério de bauxita como uma alternativa de incremento de produtividade e, consequentemente, redução de custos dentro do processo produtivo das operações unitárias de lavra. A partir de melhorias implantadas na padronização da carga média de transporte proporcionaram um aumento de 2,47% no volume da carga média transportada e otimização do consumo de combustível em 2,53%, reduzindo a quantidade de viagens dos caminhões.
Por outro lado, a diminuição do tempo de ciclo do caminhão implica na redução dos tempos fixos e tempos variáveis. Os tempos fixos são parâmetros de controle limitado, ao contrário dos tempos variáveis que dependem diretamente da distância de transporte e da velocidade média do caminhão, conforme equação (2) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).
... (Equação 2)
Onde:
Di é a distância do trajeto de ida (m);
Dv é a distância do trajeto de volta (m);
Vi é a velocidade média carregado (km/h);
Vv é a velocidade média vazio (km/h).
A distância de transporte é um parâmetro inerente ao traçado de cada rota, configurando um valor fixo medido entre o ponto de coleta e o ponto de descarte do material. Ainda assim, há registros no estado da arte quanto à alteração da distância para se alcançar maior produtividade e menor custo.
Felsch Júnior et al. (2018) realizaram melhorias operacionais em uma mina de ferro do Quadrilátero Ferrífero reduzindo a distância de transporte. As melhorias resultaram em decréscimo de 9,3% dos custos operacionais.
A velocidade máxima que um caminhão-fora-de-estrada pode desenvolver depende de fatores técnicos do veículo, como potência do motor, eficiência do sistema de transmissão e esforço de tração que o mesmo deve desenvolver para vencer as forças de resistência a que é submetido (Figura 1). A velocidade máxima pode ser expressa mediante equação (3) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).
... (Equação 3)
Onde:
Vmax é a velocidade máxima (km/h);
Pot é a potência do caminhão (hp); Et é a eficiência da transmissão;
Figura 2.1 – Representação esquemática da força normal e de resistência (Traduzido de Hustrulid, 2013).
A figura 2.1 mostra que com o aumento da carga imposta ao pneu pela força normal N, o esforço de tração, ou impulso que deve ser empregado para a roda começar a girar, também aumenta. Para ocorrer o movimento, o esforço de tração empregado deve atingir uma magnitude que supere o conjunto de forças contrárias, no qual faz parte a resistência ao rolamento, por exemplo, e ser menor que a força de aderência. As forças de resistência são abordadas nos itens 2.4, 2.5 e 2.6.
A velocidade é diretamente afetada pelas forças de resistência ao movimento, sendo que, dentre estas, a resistência ao rolamento é afetada pela qualidade da via (TANNANT; REGENSBURG, 2001). Desta forma, entende-se que a diminuição da resistência total a que o caminhão é submetido acarreta menor esforço de tração para sua movimentação e, consequentemente, maior velocidade é desenvolvida, respeitando-se os valores limites para o tráfego. Assim, reduz-se o tempo de viagem de transporte, o que gera aumento da produtividade e redução de custos.
2.1.2 Custos operacionais
Borges (2013) afirma que “uma das etapas de maior peso na composição dos custos operacionais de toda a mina é a etapa de manuseio, que corresponde ao carregamento e transporte, [...]”. Os custos de transporte correspondem aos gastos decorrentes do consumo de combustível, lubrificantes (óleo e graxa), filtros (de ar, gasóleo e óleo), material de desgaste, reparos, da aquisição e manutenção de pneus, materiais e da manutenção de vias e recursos humanos (BORGES, 2013; LÓPEZ JIMENO et al., 2015).
Movimento
Tração necessária Forças de resistência Forças de impulso Tração disponível Tração utilizável Tração
Do manual da Caterpillar elaborado por Holman (2006), o modelo matemático para obtenção do custo unitário final de transporte equivale à relação entre o somatório dos custos por hora e a produtividade, sendo expresso em unidades monetárias de custo por tonelada, US$/t (Equação 4).
... (Equação 4)
Onde:
Cunit é o custo unitário operacional (US$/t);
Cop é o somatório dos custos operacionais de transporte (US$/h);
P é a produtividade dos caminhões (t/h).
Nota-se, portanto, que os custos operacionais são diretamente relacionados à qualidade de construção das vias. O consumo de combustível, por exemplo, é fortemente impactado pela resistência ao rolamento, enquanto que o desgaste e o tempo de vida dos pneus e os componentes mecânicos dos caminhões são impactados pela rugosidade ou irregularidades existentes na camada superficial das estradas, que demandam maiores necessidades de manutenção.
De forma geral e esquematizada, a figura 2.2 apresenta a interdependência dos parâmetros que influenciam a produtividade e custos de transporte. Os parâmetros em destaque (coloração cinza) são aqueles que afetam diretamente os tempos variáveis, que é o parâmetro com menor limitação de controle por parte da equipe de operação de mina quando comparado aos parâmetros de carga média e tempos fixos.
Pode se observar, hierarquicamente (Figura 2.2), a rugosidade da via como elemento importante de controle para a gestão econômica e segura das estradas. Neste caso, para o estudo da influência deste parâmetro na resistência ao rolamento, velocidade, tempo de viagem, produtividade e custos, são necessárias algumas simplificações devido à complexidade em se obter ou mensurar determinados dados.
Tal simplificação, neste trabalho de pesquisa, não considera as características do material que compõe o revestimento das estradas de mina (densidade, granulometria, umidade, etc.) e as forças de resistência do ar e de inércia que se opõem ao movimento do caminhão fora-de-estrada.
Figura 2.2 – Representação hierárquica dos parâmetros que influenciam a produtividade e custos de transporte.
2.2 ASPECTOS GERAIS DE ESTRADAS EM MINA A CÉU ABERTO
A evolução do porte dos caminhões de transporte em mina a céu aberto, percebido pelo aumento da carga nominal destes veículos, demanda maior critério no projeto de estradas, maior rigor na execução e constante reavaliação. O dimensionamento de estradas de mina deve pautar na viabilização e garantia da segurança, economicidade e otimização da vida útil dos equipamentos. Além disso, com a recente implementação do uso de caminhões autônomos, critérios mais rigorosos baseados nas especificidades de projeto e na construção de estradas são necessários.
2.2.1 Concepção básica sobre estradas de mina e suas particularidades
Do Dicionário da Língua Portuguesa, Novo Aurélio, estrada é um “caminho, relativamente largo, destinado ao trânsito de pessoas, animais e veículos”. Embora este conceito represente uma visão geral de uma estrada, é importante estabelecer que estas são tipificadas e particularizadas de acordo com o ambiente de tráfego a que pertencem e suas características peculiares como o tipo rodoviário, vicinal de terra, florestal e de mina.
A gestão das estradas rodoviárias possui estudos bem mais desenvolvidos, desde a concepção de projeto até à construção e manutenção. Por outro lado, poucas referências e pesquisas refletem o cenário das estradas de mina. Embora mais próxima das características das estradas vicinais de terra e florestal, os acessos mineiros ainda se particularizam devido às operações de lavra e às restrições impostas em sua concepção por fatores geológicos, geotécnicos e de planejamento de mina.
Alguns autores, como os pioneiros Kaufman e Ault (1977), passando por Alex Visser (África do Sul) e Roger Thompson (Austrália) (2009, 2008, 1996), Tannant e Regensburg (2001) e López Jimeno et al. (2015), estabeleceram diretrizes sobre o dimensionamento das estradas de mina, bem como sua gestão e manutenção. Embora estes estudos sejam adotados como guias teórico e prático para as equipes de infraestrutura de mina no que se refere à implementação de boas práticas na construção destas estruturas de tráfego, ainda há certa timidez na aplicação destas ferramentas.
A idealização e concepção de uma estrada de mina são estabelecidas na fase de projeto. Inicialmente tem-se o projeto geométrico, no qual é definido o melhor traçado para a estrada. De acordo com Kaufman e Ault (1977), os parâmetros a serem considerados nesta fase incluem largura, distâncias de parada e de visibilidade, rampa máxima sustentável, superelevação, superlargura, raio de curvatura, configuração de curvas verticais e horizontais, gradiente, leiras de segurança, inclinação para direcionamentos de drenagem e configuração entre os alinhamentos horizontal e vertical.
Por conseguinte, tem-se o projeto de pavimento que se divide em estrutural e funcional. O primeiro, segundo Reis (2014), corresponde à seleção de materiais e dimensionamento das camadas, que de cima para baixo são conhecidas como base, sub-base e reforço do subleito. O segundo discorre sobre a seleção e construção da camada de revestimento, situada acima da base. De acordo com a NBR 7207 (ABNT, 1982 apud REIS 2014), e como mostra a figura 2.3, “o pavimento é uma estrutura construída após a
terraplenagem e destinada, econômica e simultaneamente, em seu conjunto, a resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo tráfego; melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e segurança; e resistir aos esforços horizontais que nele atuam, tornando mais durável a superfície de rolamento.”
Figura 2.3 – Estrutura do pavimento (Adaptado de Bernucci et al.; 2007 apud Reis, 2014).
Por fim tem-se o projeto de drenagem, que contempla o escoamento da água superficial das estradas e possibilita melhor operação das mesmas. Os dispositivos implementados nesta etapa de projeto, segundo Oliveira Filho et al. (2010a apud REIS, 2014) correspondem a valetas de proteção de corte e de aterro; sarjetas de corte e de aterro; descidas d’água; saídas d’água; caixas coletoras; bueiros de gradiente; dissipadores de energia, escalonamento de taludes e corta-rios.
A operação da estrada é estabelecida na fase de construção e manutenção. Na primeira leva-se em conta a seleção de materiais para compor as camadas do pavimento, baseado em suas propriedades, tais como distribuição granulométrica, resistência à compressão, alterabilidade e rigidez, dentre outros. Realiza-se a terraplenagem para conformação topográfica do terreno in situ, de modo permitir o recebimento do pavimento, via operações de corte e aterro. Por fim, efetua-se a compactação para obtenção da máxima estabilidade, por meio do aumento do grau de contato entre os grãos do solo – e emprega-se técnicas para tratamento anti-pó à execução do projeto. Ressalta-se que, em função de redução de custos e facilidade, as minas comumente realizam a compactação do pavimento por meio da frequente passagem de caminhões durante o transporte de materiais.
Nesta fase também é considerado um parâmetro de grande importância na funcionalidade do pavimento: a resistência ao rolamento, uma vez que alterações na camada
de revestimento provocam alterações neste índice (OLIVEIRA FILHO et al., 2010b). A resistência ao rolamento, fenômeno que impacta a produtividade, os custos e a segurança no transporte de minério e estéril, e que possui a rugosidade superficial da via como parâmetro influenciador (Capítulo 1), é detalhada no item 2.4.
A fase de manutenção consiste em conservar a superfície de rolamento razoavelmente isenta de irregularidades, firme e livre de material solto, além de manter a declividade transversal do leito da estrada apropriada para assegurar o escoamento de águas superficiais (VIEIRA, 2013). Desta forma, busca-se minimizar, periodicamente, os defeitos existentes na superfície do revestimento ou até mesmo defeitos oriundos na estrutura do pavimento, pois geram irregularidades que impactam na movimentação de veículos e diminuem a vida útil dos mesmos e de seus componentes. Defeitos típicos de estradas mineiras incluem seção transversal inadequada, poeira, caráter pedregoso, perda de agregados grossos, estrada escorregadia, afundamento por trilha de roda, corrugações, depressões, buracos e pontos fracos devido à drenagem deficiente (OLIVEIRA FILHO et al., 2010c apud REIS, 2014).
2.2.2 Revestimentos primários
A camada de revestimento de um pavimento (capa superficial) corresponde ao elemento da via que interage com os equipamentos que nela trafegam e configura seu caráter funcional. Sua composição, distribuição e compactação devem ser dimensionados de forma que se possibilite a transmissão de esforços verticais às camadas inferiores e a resistência de esforços horizontais cisalhantes, além da promoção da segurança e comodidade enquanto se trafega. Nas estradas de mina o revestimento constitui-se de uma camada colocada sobre o reforço do subleito ou diretamente sobre o subleito, na ausência das camadas de base e sub-base. É denominado como revestimento primário ou forro.
Normalmente, os materiais que compões os revestimentos primários de estradas não pavimentadas provém da própria mina como o estéril, por exemplo, ou até mesmo minério de baixo teor, cascalhos, lateritas e itabiritos, além de resíduos oriundos do processo de beneficiamento. Em caso de escassez ou inexistência desses materiais, pode-se recorrer às misturas de outros materiais naturais e/ou artificiais, de maneira que produzam uma superfície de rolamento que atenda às demandas de tráfego (BAESSO; GONÇALVES, 2003).
O revestimento promove tração e resistência à ação abrasiva do tráfego e ao cisalhamento, além de transmitir o carregamento do pneu para a base, selando-a contra a
penetração de água superficial (MASETTI et al., 2011). Além disso, o revestimento ideal para a construção de uma estrada de mina deve favorecer aspectos como a adequada trafegabilidade em condições climáticas variadas; a diminuição de poeira excessiva no período seco; diminuição de piso escorregadio no período chuvoso; e o baixo custo e redução da necessidade de manutenção.
As condições da superfície do revestimento de uma estrada de mina influenciam diretamente parâmetros de segurança, qualidade e custos de manutenção dos caminhões (consumo de combustível e lubrificante, desgaste dos pneus, etc.), uma vez que esta estrutura pode abrigar defeitos de natureza estrutural e/ou funcional (VIEIRA, 2013).
Não obstante, Ferreira (2004 apud VIEIRA, 2013) comenta sobre a importância da caracterização das condições superficiais das estradas e afirma que a partir dessa caracterização podem ser definidos os tipos de manutenção necessária como rotina, reconformação, restauração e reconstrução. A frequência de manutenção corretiva será menor, quanto menor o nível de deterioração da estrada.
Portanto, o objeto de estudo desta pesquisa se concentra na camada de revestimento da estrada. Logo, a caracterização das irregularidades existentes neste elemento estrutural é fundamental para avaliar seu impacto na operação e tráfego dos caminhões.
2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SUPERFÍCIE DO REVESTIMENTO DAS ESTRADAS DE MINA
A superfície de um revestimento de uma estrada de mina comporta-se como interface da interação pneu-solo no processo de movimentação de caminhões para transporte de minério e estéril. Tal processo pode ser mais seguro e econômico quanto melhor controlado as variáveis que compõe a interação rugosidade-tração-resistência ao rolamento.
Thompson (1996) afirma que a rugosidade presente na superfície de um revestimento de estrada de mina é a principal medida da condição do pavimento e está relacionada aos custos de operação do veículo e frequência de manutenção das vias (Figura 2.4). De modo geral, a rugosidade engloba os defeitos de superfície como corrugações, buracos, sulcos, dentre outros.
Para manter baixa a rugosidade da superfície de uma estrada de mina deve-se ter uma alta frequência de manutenção, o que eleva os custos de manutenção, porém diminui os custos de operação de veículos. Por outro lado, para uma maior rugosidade, a frequência e os custos de manutenção caem. Porém, os custos de operação dos veículos aumentam
consideravelmente. Desta forma, busca-se encontrar um ponto de equilíbrio, como sugerido na figura 2.4, cujo custo total mínimo definido permite definir também a rugosidade aceitável e a frequência de manutenção que leva à esta rugosidade.
Min Max
Max Min
Frequência de manutenção Rugosidade da superfície da estrada Custos totais Custo mínimo Custos totais Custos de manutenção Custos de operação do veículo
Figura 2.4 – Minimização dos custos de manutenção de via e operação do veículo de transporte (Traduzido de Thompson, 1996).
Para Tannant e Regensburg (2001) a tração é importante do ponto de vista da segurança, pois evita que o veículo de transporte saia da estrada devido à perda de aderência. Já a resistência ao rolamento é importante do ponto de vista da velocidade e produtividade do caminhão. Desta forma, são definidos a seguir os conceitos acerca da rugosidade da superfície da via, tração, aderência e resistência ao movimento de veículos de transporte, bem como as condições necessárias para que haja a locomoção dos caminhões.
2.3.1 Rugosidade
A rugosidade da superfície de uma estrada de mina é causada pela presença de buracos, ondulações, depressões e sulcos. Essas irregularidades afetam a vida útil dos componentes do veículo de transporte – como o chassi, suspensão, motor e pneus – que qualquer outro parâmetro. As forças de impacto transmitidas a esses componentes devido à rugosidade da via são proporcionais ao peso bruto do veículo, porém a magnitude do impacto
