CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA DE REJEITOS APLICADA A BARRAGENS DE ATERRO HIDRÁULICO

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA DE REJEITOS

APLICADA A BARRAGENS DE ATERRO HIDRÁULICO

HECTOR MAURICIO OSORIO HERNANDEZ

ORIENTADOR: ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM GEOTECNIA

PUBLICAÇÃO G.DM-092A/02

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA DE REJEITOS APLICADA A

BARRAGENS DE ATERRO HIDRÁULICO

HECTOR MAURICIO OSORIO HERNANDEZ

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO 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:

_________________________________________ PROF. ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD (UnB) (ORIENTADOR)

_________________________________________ PROF. ENNIO MARQUES PALMEIRA, PhD (UnB) (EXAMINADOR INTERNO)

_________________________________________

PROFa. TEREZINHA DE JESUS ESPÓSITO, DSc (UFMG) (EXAMINADORA EXTERNA)

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FICHA CATALOGRÁFICA

HERNANDEZ, HECTOR MAURICIO

Caracterização Geomecânica de Rejeitos Aplicada a Barragens de Aterro Hidráulico xx, 174 p., 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2002).

Dissertação de Mestrado - Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.

1. Rejeito 2. Aterro Hidráulico

3. Comportamento Mecânico de Meios Granulares 4. Minério de Ferro I. ENC/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

HERNANDEZ, H.M. (2002). Caracterização Geomecânica de Rejeitos Aplicada a Barragens de Aterro Hidráulico. Dissertação de Mestrado, Publicação G.DM-092A/02, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 174 p.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Hector Mauricio Osório Hernandez

TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Caracterização Geomecânica de Rejeitos Aplicada a Barragens de Aterro Hidráulico.

GRAU: Mestre ANO: 2002

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.

_____________________________ Hector Mauricio Osório Hernandez Calle 41 No. 38B-51, Apto. 300 Medellín - Colômbia

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DEDICATÓRIA

El fruto de este trabajo es dedicado a mi madre Nubia que

con su grande sabiduría, esfuerzo y dedicación hizo posible

el logro de esta meta.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço ao programa de Geotecnia da UnB por me ter permitido fazer parte deste grupo de excelência.

Ao ICETEX e ao CNPq os órgãos de fomento que proporcionaram o apoio financeiro.

Ao Professor e Orientador André, meus sinceros agradecimentos pela atenção e pelos valiosos ensinamentos durante a realização deste trabalho.

Ao Professor Márcio que deu apoio no momento mais difícil.

À Íris por sua incondicional companhia e carinho, e pelos valiosos aportes durante o desenvolvimento desta pesquisa.

À minha família, minha mãe, minhas irmãs, meus sobrinhos e meu cunhado pela compreensão e pelo carinho brindado durante minha ausência.

À INTEGRAL por me ter permitido conhecer o mundo da geotecnia, inclusive antes de minha formatura. Aos meus colegas de trabalho por me terem motivado a continuar explorando e avançando no campo do conhecimento.

Aos Engenheiros Manuel Villarraga, Luis Fernando Cano e Camilo Tejada por ter me guiado em meus primeiros passos no mundo da engenharia geotécnica.

A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia que compartilharam conosco seus extensos conhecimentos.

Um agradecimento especial para os meus colegas que compartilharam comigo alegrias e tristezas durante o desenvolvimento do curso.

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CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA DE REJEITOS

APLICADA A BARRAGENS DE ATERRO HIDRÁULICO

RESUMO

Alguns anos atrás, e ainda hoje em alguns países, a mineração tem utilizado práticas inadequadas, gerando impactos ambientais violentos a um elevado custo social. Na atualidade, os processos de exploração dos minerais utilizam métodos encaminhados a obter o maior beneficio das reservas, satisfazendo as necessidades dos clientes e da sociedade. A atual legislação ambiental brasileira objetiva a redução dos impactos ambientais, permitindo a concepção de uma mineração moderna, de acordo com as políticas de conservação do meio ambiente e desenvolvimento sustentável, fazendo necessário o desenvolvimento de novas tecnologias. O presente trabalho aborda o tema da caracterização geomecânica de rejeitos aplicada a barragens de aterro hidráulico como uma das ferramentas fundamentais para o desenvolvimento destas novas tecnologias. Aprofunda-se no estudo e entendimento de como os parâmetros de resistência são influenciados pela variação do teor de ferro dos rejeitos. Neste contexto, o objetivo principal desta pesquisa que foi compreender e expor como os parâmetros de resistência do rejeito de minério de ferro são afetados pela variação nas proporções de ferro e de sílica presentes no material descartado foi atingido. Visou-se também avaliar como as variações dessas proporções afetam os critérios de projeto em função das mudanças na produção da concentração de ferro que induzem variações no rejeito descartado. Foi possível a obtenção de concentrados de quartzo e de ferro de altos teores de pureza, que possibilitaram a avaliação da influência do teor de ferro nas propriedades mecânicas do rejeito, como o ângulo de atrito de pico, o ângulo de atrito residual e o ângulo de atrito secante. Avaliou-se igualmente a influência do índice de vazios inicial e do grau de confinamento nestes parâmetros.

(7)

GEOMECHANICAL CHARACTERISATION OF TAILINGS APPLIED

TO HYDRAULIC FILLS

ABSTRACT

Some years ago, and even nowadays in some countries, the mining industry has used inadequate procedures, generating enormous environmental impacts with high social costs. More recently, mineral exploitation processes use methods searching for maximising resource benefits, while attending the needs of clients and societies. The actual Brazilian legislation aims to reduce environmental impacts, highlighting the concepts of modern mining industry, in accordance with the policies of environmental protection and sustainable development, and requiring the development of new technologies. In this study, the understanding of how strength parameters are affected by the tailings mineral composition deeply analysed. The main objective of this research is the comprehension of the influence of the relative composition between iron and quartz particles on the tailings strength parameters. The relative proportion between iron and quartz particles was ranged and their effects evaluated on the design criteria of tailings dams. It was possible to obtain highly pure quartz and iron mixtures, which enable the evaluation of their percentage on the mechanical properties of the tailings, such as peak, residual and secant friction angles and deformability parameters. The influences of initial void ratios and confinement stresses were also analysed.

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ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO 1

1.1 O HOMEM, OS MINERAIS E O DESENVOLVIMENTO 1

1.2 EFEITOS COLATERAIS DA MINERAÇÃO 2

1.3 OBJETIVO DA DISSERTAÇÃO 2

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO 3

2. REJEITOS GRANULARES DEPOSITADOS HIDRAULICAMENTE 4

2.1 NATUREZA DO REJEITO 4

2.2 DEPOSIÇÃO DOS REJEITOS EM BARRAGENS 5

2.3 CONTROLE DE QUALIDADE GEOTÉCNICO DURANTE O ALTEAMENTO

DE BARRAGENS DE REJEITO 8

2.4 INFLUÊNCIA DO TEOR DE FERRO NO COMPORTAMENTO DE REJEITOS

DE MINÉRIO DE FERRO 12

2.5 INFLUÊNCIA DA GRANULOMETRIA NO COMPORTAMENTO MECÂNICO

DE REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO 14

2.6 COMPORTAMENTO NÃO DRENADO DE REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO 15 2.7 CARACTERÍSTICAS DO REJEITO DA PILHA DE MONJOLO NA MINA DO

COMPLEXO ÁGUA LIMPA 16

3. COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MEIOS GRANULARES 18 3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO

DE AREIAS 18

3.2 INFLUÊNCIA DO ÍNDICE DE VAZIOS 19

3.3 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE CONFINAMENTO 22

3.4 INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA 29

3.4.1 Tamanho médio das partículas 29

3.4.2 Granulometria da areia 29

3.4.3 Angulosidade das partículas 30

3.5 PARÂMETROS DE DEFORMABILIDADE 30

4. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO E RESISTÊNCIA 35 4.1 SEPARAÇÃO DA SÍLICA E DO FERRO PRESENTES NO MATERIAL DE

REJEITO 36

4.2 MISTURA DOS MATERIAIS 38

4.3 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO 40

4.3.1 Determinação da densidade real dos grãos (ρs) 40

4.3.2 Determinação das curvas granulométricas do material 43

4.4 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA 47

4.4.1 Considerações gerais sobre o ensaio de cisalhamento direto 47

(9)

4.4.3 Moldagem dos corpos de prova 53

4.4.4 Resultados dos ensaios de cisalhamento direto 56

4.4.5 Parâmetros de resistência ao cisalhamento direto 57

4.4.6 Rigidez Cisalhante Secante (Msec) e Tangente (Mtg) 60

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO E RESISTÊNCIA 62

5.1 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS DE REJEITO 63

5.1.1 Variação da densidade real dos grãos com o diâmetro médio 63

5.1.2 Comparação entre as curvas granulométricas convencionais e as curvas

granulométricas por volume 64

5.2 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA 67

5.2.1 Parâmetros de resistência obtidos nos ensaios de cisalhamento direto 68 5.2.2 Relação entre o ângulo de atrito de pico e o ângulo de atrito a volume constante 75

5.2.3 Relação entre o ângulo de atrito secante e o tensão normal 82

5.2.4 Rigidez Cisalhante Msec50 e Mtg50 87

5.3 REDEFINIÇÃO DA METODOLOGIA PROBABILÍSTICA E OBSERVACIONAL 90

5.4 APLICAÇÕES DAS EQUAÇÕES OBTIDAS 92

6. CONCLUSÕES 95

6.1 PRINCIPAIS CONCLUSÕES 95

6.2 RECOMENDAÇÕES PARA PESQUISAS FUTURAS 97

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 99

A. RESULTADOS DOS ENSAIOS DE DENSIDADE REAL DOS GRÃOS (ρS) 102

B. CURVAS GRANULOMÉTRICAS DAS AMOSTRAS E DAS MISTURAS

QUARTZO -FERRO 107

C. RESULTADOS DOS ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO –

ENVOLTÓRIAS DE RUPTURA 123

D. RESULTADOS DOS ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO – SUPERPOSIÇÃO DE CURVAS DE IGUAL TENSÃO VERTICAL 144 E. FOTOGRAFIAS DO REJEITO DE MINÉRIO DE FERRO E DO

(10)

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Métodos construtivos de barragens de rejeito: (a) Método de Montante;

(b) Método de Jusante; (c) Método da Linha de Centro. 7

Figura 2.2 Relação entre a massa específica dos grãos e o teor de ferro nos materiais de rejeito, produto da mineração do ferro (modificado – Espósito, 2000 e

Lopes, 2000). 13

Figura 2.3 Relação de dependência do ângulo de atrito com a porosidade e a

granulometria (Lopes, 2000). 15

Figura 3.1 Deslizamento relativo entre placas em diferentes condições de compacidade

(modificado - Lambe & Whitman, 1994). 20

Figura 3.2 Relações de comportamento para areias densas e fofas: (a) Tensão-deformação; (b) Volume-Tensão-deformação; (c) Índice de vazios-deformação. 21 Figura 3.3 Envoltória de Mohr para um material granular, com ensaios realizados a

diferentes esforços de confinamento. 23

Figura 3.4 Aproximações lineares à envoltória curva de Mohr: (a) Aproximação de duas

linhas; (b) Aproximação de uma linha. 24

Figura 3.5 Relação entre o ângulo de atrito e a pressão de confinamento (Leslie em 1963,

citado por Lambe & Whitman, 1994). 25

Figura 3.6 Variação do ângulo de atrito interno com o esforço confinante

(modificado - Juarez & Rico, 1976). 26

Figura 3.7 Índice de fragilidade de Bishop IB. 27

Figura 3.8 Módulo de elasticidade: (a) Módulo Secante; (b) Módulo Tangente. 32

Figura 3.9 Módulo de deformação tangencial G (modificado -

Lambe & Whitman, 1994). 33

Figura 4.1 Elemento utilizado para a separação do minério de ferro do quartzo 37 Figura 4.2 Processo de separação do rejeito em concentrados de Quartzo e de Ferro 38 Figura 4.3 Variação da densidade real dos grãos com o diâmetro médio das partículas. 43 Figura 4.4 Resumo das curvas granulométricas por peneiramento das amostras

A-01 a A-12. 45

Figura 4.5 Resumo das curvas granulométricas do granulômetro a laser das amostras

A-01 a A-12. 46

Figura 4.6 Curvas granulométricas dos materiais Quartzo 97% e Quartzo 14%. 46 Figura 4.7 Curvas granulométricas dos materiais Quartzo 40%, Quartzo 60% e Quartzo

80%. 47

Figura 4.8 Equipamento de cisalhamento direto. 48

Figura 4.9 Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto: (a) Direção das tensões principais; (b) Representação das tensões no diagrama de Mhor

(modificado - Juarez & Rico, 1976). 50

(11)

Figura 4.11 Relação ∆H contra t para um esforço vertical de 400 kPa. 52 Figura 5.1 Variação da densidade real dos grãos com o diâmetro das partículas e ajuste

de um modelo bi-linear. 64

Figura 5.2 Resumo das curvas granulométricas por volume das amostras A-01 a A-12. 66 Figura 5.3 Curvas granulométricas médias, realizadas por massa e volume. 67 Figura 5.4 Relação entre o ângulo de atrito de pico (φ'pico), a porosidade e o teor de ferro. 69

Figura 5.5 Relação de dependência do ângulo de atrito com o Índice de Porosidade

Relativa em função do teor de ferro do material. 73

Figura 5.6 Variação do ângulo de atrito a volume constante em função da porosidade

inicial para tensões de confinamento entre 50 a 500 kPa. 77

Figura 5.7 Variação do ângulo de atrito a volume constante médio em função da porcentagem de ferro para tensões de confinamento entre 50 a 500 kPa. 77 Figura 5.8 Regressão de ajuste para a o ângulo de atrito a volume constante médio em

função da porcentagem de ferro para tensões de confinamento entre 50 kPa a

500 kPa. 78

Figura 5.9 Relação entre o ângulo de atrito de pico e o ângulo de atrito a volume constante (φ’pico/φ’cv) para a envoltória de ruptura com tensões entre 0 e

50 kPa. 79

Figura 5.10 Relação entre o ângulo de atrito de pico e o ângulo de atrito a volume constante (φ’pico/φ’cv) para a envoltória de ruptura com tensões entre 50 e

500 kPa. 79

Figura 5.11 Relação (φ’pico/φ’cv) com a porosidade, e equação de melhor ajuste (ângulos

de atrito obtidos das envoltórias de ruptura com tensões entre 50 e 500 kPa). 81 Figura 5.12 Relação (φ’pico/φ’cv) com o IPR, e equação de melhor ajuste (ângulos de

atrito obtidos das envoltórias de ruptura com tensões entre 50 e 500 kPa). 82 Figura 5.13 Relação do ângulo de atrito secante com a tensão vertical para cada classe de

porosidade inicial do ensaio. 84

Figura 5.14 Relação do ângulo de atrito secante com a tensão vertical para cada classe de

porosidade inicial do ensaio, curvas de melhor ajuste. 85

Figura 5.15 Relação dos parâmetros f e g com a porosidade. 85

Figura 5.16 Rotina de processamento dos dados da Rigidez Cisalhante Secante Msec50 e

Tangente Mtg50. 87

Figura B.1 Formato de Análise Granulométrica, Amostra A-01. 108

(12)

Figura C.1 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 14% (n=51%). 124 Figura C.2 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 14% (n=48%). 125 Figura C.3 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 14% (n=45%). 126 Figura C.4 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 14% (n=41%). 127 Figura C.5 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 40% (n=50%). 128 Figura C.6 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 40% (n=47%). 129 Figura C.7 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 40% (n=43%). 130 Figura C.8 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 40% (n=40%). 131 Figura C.9 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 60% (n=50%). 132 Figura C.10 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 60% (n=47%). 133 Figura C.11 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 60% (n=43%). 134 Figura C.12 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 60% (n=40%). 135 Figura C.13 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 80% (n=49%). 136 Figura C.14 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 80% (n=46%). 137 Figura C.15 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 80% (n=42%). 138 Figura C.16 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 80% (n=39%). 139 Figura C.17 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 97% (n=48%). 140 Figura C.18 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 97% (n=45%). 141 Figura C.19 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 97% (n=41%). 142 Figura C.20 Resultados dos Ensaios de Cisalhamento Quartzo - 97% (n=38%). 143 Figura D.1 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 14%, 25 kPa). 145 Figura D.2 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 14%, 25 kPa). 145 Figura D.3 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 14%, 50 kPa). 146 Figura D.4 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 14%, 50 kPa). 146 Figura D.5 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 14%, 125 kPa). 147 Figura D.6 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 14%, 125 kPa). 147 Figura D.7 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 14%, 250 kPa). 148 Figura D.8 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 14%, 250 kPa). 148 Figura D.9 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 14%, 500 kPa). 149 Figura D.10 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 14%, 500 kPa). 149 Figura D.11 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 40%, 25 kPa). 150 Figura D.12 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 40%, 25 kPa). 150 Figura D.13 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 40%, 50 kPa). 151 Figura D.14 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 40%, 50 kPa). 151 Figura D.15 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 40%, 125 kPa). 152 Figura D.16 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 40%, 125 kPa). 152 Figura D.17 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 40%, 250 kPa). 153

(13)

Figura D.18 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 40%, 250 kPa). 153 Figura D.19 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 40%, 500 kPa). 154 Figura D.20 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 40%, 500 kPa). 154 Figura D.21 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 60%, 25 kPa). 155 Figura D.22 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 60%, 25 kPa). 155 Figura D.23 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 60%, 50 kPa). 156 Figura D.24 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 60%, 50 kPa). 156 Figura D.25 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 60%, 125 kPa). 157 Figura D.26 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 60%, 125 kPa). 157 Figura D.27 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 60%, 250 kPa). 158 Figura D.28 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 60%, 250 kPa). 158 Figura D.29 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 60%, 500 kPa). 159 Figura D.30 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 60%, 500 kPa). 159 Figura D.31 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 80%, 25 kPa). 160 Figura D.32 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 80%, 25 kPa). 160 Figura D.33 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 80%, 50 kPa). 161 Figura D.34 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 80%, 50 kPa). 161 Figura D.35 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 80%, 125 kPa). 162 Figura D.36 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 80%, 125 kPa). 162 Figura D.37 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 80%, 250 kPa). 163 Figura D.38 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 80%, 250 kPa). 163 Figura D.39 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 80%, 500 kPa). 164 Figura D.40 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 80%, 500 kPa). 164 Figura D.41 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 97%, 25 kPa). 165 Figura D.42 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 97%, 25 kPa). 165 Figura D.43 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 97%, 50 kPa). 166 Figura D.44 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 97%, 50 kPa). 166 Figura D.45 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 97%, 125 kPa). 167 Figura D.46 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 97%, 125 kPa). 167 Figura D.47 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 97%, 250 kPa). 168 Figura D.48 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 97%, 250 kPa). 168 Figura D.49 Tensão vs. Deslocamento Horizontal (Quartzo 97%, 500 kPa). 169 Figura D.50 Desl. Vertical vs. Desl. Horizontal (Quartzo 97%, 500 kPa). 169 Figura E.1 Grãos que compõem o rejeito de minério de ferro: (a) Conjunto dos grãos;

(b) Grãos de ferro com um alto grau de oxidação; (c) Grãos de ferro com um leve grau de oxidação; (d) Grãos de ferro; (e) Grãos de quartzo e (f)

Feldspatos. 171 Figura E.2 Materiais utilizados para a realização dos ensaios de cisalhamento direto:

(a) Quartzo 97%; (b) Quartzo 80%; (c) Quartzo 60%; (d) Quartzo 40%;

(14)

Figura E.3 Materiais concentrados após o primeiro processo de separação: (a) Concentrado de ferro Fe-1; (b) Concentrado de quartzo Q-1. 173 Figura E.4 Prensa de cisalhamento direto com o sistema de aquisição de dados. 173 Figura E.5 Granulômetro a laser com o sistema de aquisição de dados. 174

(15)

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Variação das características do rejeito da Pilha do Monjolo, Mina Morro

Agudo (modificado - Espósito, 2000). 17

Tabela 4.1 Determinação da densidade real dos grãos. 41

Tabela 4.2 Variação da densidade real dos grãos com o diâmetro médio das partículas. 42

Tabela 4.3 Resultados da análise granulométrica por massa. 44

Tabela 4.4 Determinação dos índice de vazios máximo e mínimo. 54

Tabela 4.5 Propriedades de moldagem de cada um dos materiais ensaiados. 55 Tabela 4.6 Resultados dos ensaios de cisalhamento direto - parâmetros de

resistência (c’ e φ'). 58 Tabela 4.7 Resultados dos ensaios de cisalhamento direto - determinação do ângulo de

atrito secante (φ'sec) para a envoltória de ruptura (pico). 59

Tabela 4.8 Rigidez Cisalhante Secante Msec e Tangente Mtg. 61

Tabela 5.1 Resultados da análise granulométrica por volume. 65

Tabela 5.2 Ângulo de atrito estimado com a utilização das Equações 5.10 e 5.11 em

função da porosidade e a porcentagem de ferro. 70

Tabela 5.3 Ângulo de atrito estimado com a utilização das Equações 5.19 e 5.20 em função do Índice de Porosidade Relativa e a porcentagem de ferro. 73 Tabela 5.4 Classes para a divisão dos dados de ângulo de atrito secante. 83 Tabela 5.5 Ângulo de atrito secante obtido dos ensaios de laboratório e estimado

com a Equação 5.30. 86

Tabela 5.6 Rigidez Cisalhante Secante (Msec) obtida das curvas de tensões-deslocamento

e com o emprego da Equação 5.31. 89

Tabela 5.7 Rigidez Cisalhante Tangente (Mtg) obtida das curvas de tensões-deslocamento

e com o emprego da Equação 5.35. 90

Tabela 5.8 Implementação com dados reais das correlações apresentadas nas

Equações 5.10, 5.21, 5.22, 5.30, 5.31 e 5.35 93

Tabela A.1 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - A-03, A-06 e A-09. 103

Tabela A.2 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - A-12, A-04 Passa

100-Retido 200 e A-04 Passa 200. 103

Tabela A.3 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - A-07 Passa 200, A-10

Passa 200 e A-11 Retido 20. 104

Tabela A.4 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - A-11 Passa 20 – Retido

40, A-11 Passa 40 – Retido 60 e A-11 Passa 60 – Retido 100. 104 Tabela A.5 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - A-11 Passa 100 – Retido

140, A-11 Passa 140 – Retido 170 e Quartzo – 97%. 105

Tabela A.6 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - Quartzo - 14%, Quartzo -

(16)

Tabela A.7 Determinação da Densidade Real dos Grãos (ρs) - Quartzo – 40%. 106

Tabela B.1 Resumo de Ensaios de Granulometria com o Granulômetro a Laser. 120 Tabela B.2 Resumo de Ensaios de Granulometria com o Granulômetro a Laser-

Materiais de Quartzo 97% e Quartzo 14%. 121

Tabela B.3 Resumo de Ensaios de Granulometria com o Granulômetro a Laser-

Materiais de Quartzo 80%, Quartzo 60% e Quartzo 40%. 122

Tabela C.1 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 14% (n=51%). 124

Tabela C.10 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 60% (n=47%). 133 Tabela C.11 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 60% (n=43%). 134 Tabela C.12 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 60% (n=40%). 135 Tabela C.13 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 80% (n=49%). 136 Tabela C.14 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 80% (n=46%). 137 Tabela C.15 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 80% (n=42%). 138 Tabela C.16 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 80% (n=39%). 139 Tabela C.17 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 97% (n=48%). 140 Tabela C.18 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 97% (n=45%). 141 Tabela C.19 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 97% (n=41%). 142 Tabela C.20 Dados da Envoltória de Ruptura, Quartzo - 97% (n=38%). 143

(17)

LISTA DE ABREVIAÇÕES, NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas; Al2O3 Óxido de Alumínio;

b Valor médio do ângulo de inclinação entre as forças de atrito nos contatos das partículas e a trajetória média dos grãos;

c Coesão;

c’ Coesão efetiva;

CaO Óxido de Cálcio;

cf Parâmetro que depende da forma dos grãos;

CU Coeficiente de uniformidade;

D10 Diâmetro efetivo;

D50 Diâmetro médio;

D60 Diâmetro equivalente para o qual passa 60% do material obtido da

curva granulométrica;

D90 Diâmetro equivalente para o qual passa 90% do material obtido da

curva granulométrica;

Dm Diâmetro médio das partículas retidas entre duas peneiras;

e Índice de vazios;

ecv Índice de vazios residual;

E Módulo de Elasticidade;

Esec Módulo de Elasticidade Secante;

Esec50 Módulo de Elasticidade Secante a 50% da resistência de pico;

Etg Modulo de Elasticidade Tangente;

Etg50 Modulo de Elasticidade Tangente a 50% da resistência de pico;

Fe Ferro;

G Módulo de deformação tangencial;

Ho Altura inicial do corpo de prova;

IB Índice de Fragilidade de Bishop;

IPR Índice de Porosidade Relativa;

kN Quilo Newton;

kPa Quilo Pascal;

Ko Coeficiente de empuxo em repouso;

m Metro; mm Milímetro; min Mínimo; min Minuto; M Massa úmida; m2 Metro quadrado; m3_Metro_cúbico; Mn Manganês;

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Ms Massa seca;

Ms Massa dos sólidos;

Msec Rigidez cisalhante secante;

Msec50 Rigidez cisalhante secante a 50% da resistência de pico;

Ms1 Massa seca do material 1;

Mtg Rigidez cisalhante tangente;

Mtg50 Rigidez cisalhante tangente a 50% da resistência de pico;

n Porosidade;

nmax Porosidade máxima;

nmin Porosidade mínima;

P Fósforo;

P Pólo de direções;

R2 Coeficiente de correlação;

s2 Desvio Padrão;

SiO2 Óxido de silício (Sílica);

t Tonelada; t Tempo;

t100 Tempo de ocorrência de 100% do recalque;

tf Tempo para atingir a resistência de pico;

t Raiz do tempo;

TiO2 Óxido de Titânio;

UnB Universidade de Brasília;

USA Estados Unidos da América;

v Velocidade do ensaio de cisalhamento;

V Volume da amostra;

V Volume dos grãos;

V1 Volume dos grãos do material 1;

Vf Volume final;

Vi Volume inicial;

Vs Volume dos sólidos;

w Umidade;

w Umidade higroscópica;

X Média;

Y Observação medida;

Y Média das observações medidas;

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χ Coeficiente que leva em conta a distribuição estatística das forças intergranulares P e do coeficiente de atrito intergranular µ;

∆H Redução da altura do corpo;

∆V Diferença de volume; δ Deslocamentos horizontais; ε Deformação; εx Deformação na direção x; εy Deformação na direção y; εz Deformação na direção z;

ε50 Deformação na direção tangencial a 50% da resistência de pico;

εf Deformação especificada na resistência de pico;

φ Ângulo de atrito;

φ’ Ângulo de atrito efetivo;

φ’sec Ângulo de atrito secante;

φ'pico Ângulo de atrito avaliado na envoltória de resistência de pico;

φ'res Ângulo de atrito avaliado na envoltória de resistência residual;

res

'

φ Ângulo de atrito residual médio;

(φ’pico/φ’res) Relação entre os ângulos de atrito de pico e residual;

φu Ângulo de atrito entre partículas;

γ Massa específica in-situ;

γd Massa específica seca;

γs Massa específica dos grãos;

γyx Deformação angular do plano x na direção y;

µ Coeficiente de atrito intergranular;

µ Valor médio do coeficiente de atrito intergranular;

ρs Densidade real dos grãos;

ρs1 Densidade real dos grãos do material 1;

σ Pressão de confinamento;

σ Tensão;

σ’ Tensão efetiva;

σ1 Tensão principal maior;

σ2 Tensão principal intermediária;

σ3 Tensão principal menor;

σn Pressão normal no plano de ruptura n;

σv Tensão vertical;

τ Resistência cisalhante;

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τf Tensão de ruptura;

τpico Resistência de pico;

τrês Resistência residual;

τyx Tensão tangencial atuante no plano x na direção y;

τxy Tensão tangencial atuante no plano y na direção x;

υ Coeficiente de Poisson;

% Porcentagem; ° Graus.

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CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

1.1 O HOMEM, OS MINERAIS E O DESENVOLVIMENTO

Desde a idade da pedra o homem tem tratado de numerosas maneiras de fornecer as ferramentas necessárias para fazer com que suas condições de vida melhorem com o passar das gerações. Nas idades do bronze e do ferro as sociedades descobriram nos metais os elementos propícios para a elaboração destas ferramentas, permitindo o desenvolvimento de utensílios, armas, jóias e outros numerosos grupos de elementos. É daí que começa a exploração dos minerais como fonte de riqueza e tecnologia para os povos. Na atualidade a exploração de minerais representa um dos segmentos mais importantes dentro das economias globalizadas dos países desenvolvidos e em desenvolvimento.

Alguns anos atrás, e ainda hoje em alguns países, a mineração tem utilizado práticas inadequadas, que não levavam em conta o frágil equilíbrio dos ecossistemas nos quais se encontram contidas as reservas, gerando desta forma impactos ambientais violentos com posterior elevado custo social. Impacto ambiental é considerado como a alteração ou conjunto de alterações produzidas sobre o meio ambiente ou um de seus componentes, causado por uma determinada ação ou por um conjunto de atividades. O fato de que a exploração das reservas minerais implique a mobilização de grandes quantidades de solo e rocha, assim como a deposição dos resíduos, faz com que esta atividade chame a atenção da população em geral e dos diferentes grupos ambientalistas.

Na atualidade os processos de extração e transformação dos minerais se fazem com a utilização de métodos de mineração que visam obter o maior benefício das reservas exploradas, permitindo satisfazer as necessidades dos clientes compradores dos minérios e das sociedades nas quais se encontram localizadas as reservas.

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1.2 EFEITOS COLATERAIS DA MINERAÇÃO

Como conseqüência da mineração de diversos metais obtém-se vários subprodutos conhecidos como efluentes sólidos e/ou efluentes líquidos, que apresentam um baixo valor comercial e um alto potencial de poluição ambiental. Além da carga sólida, geralmente há contaminantes físico-químicos, como soluções de metais tóxicos, radioatividade, acidez e outros que fazem com que estes efluentes tenham de ser contidos e/ou tratados com o objetivo de minimizar o impacto no ambiente. Estes efluentes variam em proporção, por unidade de minério extraído, dependendo do tipo de minério, passando de 40%, no caso do ferro, a 99,99% no caso do ouro (Abrão, 1987).

Uma das principais formas de tratamento destes efluentes é sua deposição em superfície, na forma de pilhas ou em reservatórios contidos por diques ou barragens. A seleção de um método ou outro depende de diversos elementos, e um dos mais importantes é a forma de descarte dos efluentes, que pode ser na forma sólida ou na forma de polpa (água com sólidos). A atual legislação ambiental brasileira impõe às mineradoras normas claras por meio das quais se objetiva a redução dos impactos ambientais gerados pelo ato de minerar, abrindo as portas para a concepção de uma mineração moderna, de acordo com as políticas nacionais e internacionais de conservação do meio ambiente e desenvolvimento sustentável. Desta forma, faz-se necessário o desenvolvimento de novas tecnologias e procedimentos de controle que permitam adequar as práticas atuais às novas condições legais.

1.3 OBJETIVO DA DISSERTAÇÃO

No presente trabalho é abordado o tema da caracterização geomecânica de rejeitos aplicada a barragens de aterro hidráulico, como um dos elementos fundamentais no entendimento do comportamento deste tipo de estruturas objetivando, desta forma, otimizar os recursos humanos e econômicos disponíveis nas mineradoras, obtendo estruturas que se ajustem às condições de segurança, estabilidade e funcionalidade, necessárias para sua adequada implementação.

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O objetivo principal desta pesquisa é compreender como os parâmetros de resistência do rejeito de minério de ferro são afetados pela variação das proporções de ferro e de sílica presentes no material descartado, e como estas variações afetam os critérios de projeto em função das mudanças na produção da concentração de ferro que induzem variações no rejeito descartado.

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

Na presente dissertação será apresentada, no Capítulo 2, uma revisão bibliográfica onde são abordados os principais conceitos relacionados com o processo de mineração do ferro, as propriedades dos rejeitos obtidos e os diferentes tipos de barragens utilizadas para a contenção destes rejeitos. São discutidas as abordagens de algumas propostas apresentadas na literatura para a estimativa das propriedades mecânicas dos rejeitos hidraulicamente depositados, obtidos para a avaliação das condições de estabilidade e segurança das obras.

No Capítulo 3 são apresentados os conceitos principais de mecânica de meios granulares, em particular o de materiais arenosos, como são influenciados os parâmetros de resistência com variações na forma dos grãos, a porosidade do material, e como os esforços de confinamento condicionam a envoltória de ruptura.

Nos Capítulos 4 e 5 são apresentados e discutidos, respectivamente, os resultados obtidos dos ensaios de classificação e caracterização dos diferentes materiais utilizados no desenvolvimento da pesquisa, assim como os ensaios de cisalhamento direto que têm como principal objetivo avaliar as propriedades mecânicas do material nas diferentes condições de porosidade, teor de ferro e sílica, com a finalidade de compreender e conseguir explicar como estas proporções influenciam a resistência ao cisalhamento do material.

Por último, no Capítulo 6, são apresentadas as conclusões e as recomendações obtidas dos processos de análise e interpretação dos resultados, assim como sugestões para pesquisas futuras que visem dar continuidade a esta linha de pesquisa, direcionando os recursos humanos e técnicos para avançar e melhorar a compreensão do comportamento deste material.

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CAPÍTULO 2

2. REJEITOS GRANULARES DEPOSITADOS HIDRAULICAMENTE 2.1 NATUREZA DO REJEITO

O ato de minerar gera como subproduto rejeitos, que são materiais de pouco valor comercial e que apresentam um alto poder contaminante. Estes materiais podem ser descartados da unidade de beneficiamento, em um primeiro caso na forma sólida de pasta ou granel, que são geralmente transportados por meio de caminhões ou correias transportadoras, e num segundo caso na forma de polpa que é uma mistura de água mais sólidos. Esta polpa geralmente é transportada por meio de tubulações com a utilização de sistemas de bombeamento ou com a ajuda da gravidade. A deposição destes materiais pode ser feita em superfície, em cavidades subterrâneas ou em ambientes sub-aquáticos (Abrão, 1987). A seleção de um método ou outro para a disposição dos rejeitos depende da natureza do processo de mineração, das condições geológicas e topográficas da região, das propriedades mecânicas dos materiais e do poder contaminante do rejeito.

Os diferentes processos de beneficiamento têm como finalidade a regularização do tamanho dos fragmentos, a remoção de minerais associados sem valor econômico e o aumento da qualidade, pureza ou teor do produto final, que são propriedades e características adequadas para sua comercialização, satisfazendo às necessidades do mercado.

Dentre os principais processos utilizados para o beneficiamento do minério podem-se destacar a britagem, o peneiramento, a lavagem, a secagem e a calcinação. Dependendo do tipo de minério explorado, pode-se utilizar processos como concentração por densidade (espirais), separação magnética, separação eletrostática, ciclonagem, aglomeração, flotação e pirólise. Cada um destes possessos gera um tipo de rejeito diferente, com propriedades variáveis dependendo da intensidade do tratamento, sua forma de transporte e deposição (Espósito, 2000).

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Os rejeitos, que são transportados misturados com água, são caracterizados do ponto de vista geotécnico como materiais de granulometria fina, variando desde colóides com índice de plasticidade entre médios a altos e que são denominados de lamas, até areias ou materiais granulares mais grossos, não plásticos e que são denominados de rejeitos granulares. Em geral, a forma e o tamanho dos grãos dependem do tipo de minério que está sendo explorado, das naturezas geológicas das reservas e dos diferentes processos de beneficiamento.

Estes materiais hidraulicamente depositados apresentam uma densidade real dos grãos que depende do minério explorado e mais especificamente de sua mineralogia, assim como dos diferentes processos de beneficiamento, sua intensidade e natureza. Estes elementos adicionados aos processos de transporte e deposição fazem com que os depósitos obtidos apresentem densidade aparentemente seca e índice de vazios altamente variáveis. A permeabilidade em geral encontra-se condicionada à granulometria, às porosidades dos materiais e às condições de saturação, e principalmente às condições de deposição e estratificação dos depósitos formados.

Nestes materiais, a resistência ao cisalhamento encontra-se condicionada pelo comportamento da fração areia, sendo importante a contribuição da fração fina (argila e silte) em condições nas quais estes materiais apresentem estratificações ou o material seja classificado como um material fino. Outros elementos importantes na caracterização do comportamento mecânico dos rejeitos são o tipo de carregamento, sua intensidade, duração e período de ocorrência no caso de carregamentos cíclicos como sismos, explosões ou tráfego.

2.2 DEPOSIÇÃO DOS REJEITOS EM BARRAGENS

Na atualidade, a legislação ambiental brasileira impõe normas rígidas para as companhias dedicadas à mineração, exigindo um elevado controle dos diferentes processos de exploração, assim como para a deposição dos resíduos originados do beneficiamento do minério, recomendando a utilização de barragens de rejeito, mas não estimulando o uso de barragens alteadas pelo método de montante (ABNT, 1993a e 1993b).

As barragens de rejeito são estruturas criadas com a finalidade de armazenar e tratar os efluentes sólidos, produzidos em grande quantidade, provenientes do ato da mineração.

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Dependendo das propriedades mecânicas dos rejeitos, as barragens podem ser alteadas com o mesmo efluente ou com material de empréstimo, ao longo da vida útil da mina. O projeto de barragens de rejeito, a construção e a desativação devem garantir a segurança física dos barramentos, com suas respectivas estruturas, por períodos de tempo muito longos, normalmente maiores que a própria vida útil da mina, salvaguardando todo o ambiente circunvizinho de quaisquer efeitos prejudiciais advindos de seu funcionamento, como por exemplo, percolação de efluentes contaminantes, rupturas parciais ou totais das estruturas e outros (Lo e Klohn em 1996a e 1996b, citados por Cavalcante, 2000). Abordando o tema da percolação dos efluentes, Welch et al. (1995) ressaltam a importância do adequado controle das condições de drenagem das barragens, assim como o necessário tratamento destes efluentes líquidos, com a finalidade de amenizar os impactos gerados no ambiente. Para isto eles apresentam uma metodologia para a previsão do fluxo de efluentes líquidos.

Existem três métodos básicos para o alteamento de uma barragem de contenção de rejeitos: o método de montante, o método de jusante e o método da linha de centro (Figura 2.1). A diferença entre um e outro método é função do sentido do alteamento em relação ao dique de partida. O material utilizado nas diferentes etapas de construção da barragem é o próprio rejeito, sendo classificado com a utilização de ciclonagem ou praias de segregação (Abrão, 1987), para a seleção da fração grosa, de maior resistência e permeabilidade, que adicionalmente apresenta menor compressibilidade.

No Método de Montante, a estrutura do barramento é iniciada a partir de um dique, construído com materiais de boa qualidade como enrocamento ou material argiloso compactado. O rejeito é lançado a partir da crista do dique e quando o nível dos rejeitos no reservatório estiver próximo ao máximo, um novo dique é executado (sobre os rejeitos) à montante do dique do alteamento anterior. Este processo se repete com os alteamentos sucessivos até a elevação final prevista, sendo que o eixo da crista se desloca para montante com cada alteamento. As barragens construídas por este método apresentam problemas de baixa segurança, susceptibilidade à liquefação e interferência do lançamento do rejeito com a construção (Chammas em 1989, citado por Cavalcante, 2000). Sua maior vantagem é o baixo custo e a dilatação deste no tempo, assim como a possibilidade de poder ser executado pelo próprio minerador.

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O Método de Jusante consiste no alteamento da barragem para jusante do dique de partida, inicialmente construído, de tal forma que o eixo da crista se mova nesta direção. A construção pode ser feita empregando o próprio rejeito, solo de empréstimo ou estéril proveniente da lavra. A principal desvantagem deste método é seu elevado custo de construção. Suas principais vantagens são que a estrutura assim construída resiste aos efeitos de carregamentos dinâmicos, escalona a construção sem interferência na segurança nem na operação dos rejeitos e, a mais importante de todas, aproveita integralmente as técnicas de barragens convencionais.

(a)

(b)

(c)

Figura 2.1 Métodos construtivos de barragens de rejeito: (a) Método de Montante; (b) Método de Jusante; (c) Método da Linha de Centro.

Já o Método da Linha de Centro é geometricamente uma solução intermediária entre o método de jusante e o de montante. Como nos métodos anteriores, é construído inicialmente um dique de partida. Os alteamentos sucessivos são feitos de forma tal que o eixo da barragem não sofra deslocamento. O método apresenta baixa economia e potenciais problemas de instabilidade por escorregamentos. As principais vantagens deste método são

(28)

sua facilidade construtiva, e o fato de que o eixo do barramento permanece constante durante todo o tempo de alteamento da estrutura.

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 dos rejeitos; dos graus de poluição física, química e físico-química; da necessidade de reservar água ou a necessidade do controle das águas percoladas; assim como da sismicidade da região onde se localiza o barramento, da topografia, hidrologia, hidrogeologia e geologia local. Os custos envolvidos são outro fator de peso na eleição do método de execução.

Dentre as práticas normais das empresas mineradoras, o método de montante tem ganho um importante espaço graças a seus baixos custos e alta flexibilidade construtiva. As barragens construídas pelo método de montante, com a utilização de rejeitos como materiais de construção, apresentam em seu comportamento grandes problemas, como alta susceptibilidade ao piping, superfícies erodíveis e alta probabilidade de liquefação sob condições de carregamentos sísmicos em rejeitos fofos e saturados. Parra & Lasmar (1987) apresentaram o caso histórico de ruptura da barragem de rejeito da mina do Fernandinho em maio de 1986, construída pelo método de montante. Parra & Ramos (1987) apresentaram o caso histórico da barragem de rejeitos da mina do Pico São Luiz em outubro de 1986, construída pelo método da linha de centro e que durante seus primeiros alteamentos apresentou numerosos problemas de estabilidade devido a práticas errôneas durante sua construção. No entanto, o fato de se ter uma barragem construída de forma convencional não é sinônimo de eliminação total dos problemas de liquefação. Um exemplo disto é a ruptura da barragem de San Fernando nos EUA. Castro et al. (1992), apresentam uma análise das diferentes condições que convergiram para a ruptura desta barragem durante o terremoto de San Fernando, em 1971. A ruptura se apresentou em uma zona de areias finas saturadas localizada no talude de montante.

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

Em barragens alteadas com a utilização das técnicas convencionais, as características geotécnicas do material de construção são um dos elementos condicionantes do

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comportamento das estruturas em termos de estabilidade dos taludes, deformabilidade durante o alteamento e a operação, assim como das condições de percolação. Nas barragens alteadas com materiais de rejeito as relações entre o comportamento da estrutura e as condições de conformação do maciço são similares, e é tendo em conta esta consideração que pode ser feito um paralelo entre o controle executivo das barragens convencionais e as barragens de rejeito. Com a finalidade de conseguir avaliar o comportamento geotécnico deste tipo de estrutura Assis & Espósito (1995) sugerem fazer uma analogia entre a energia de compactação em uma barragem convencional e a energia de deposição num aterro hidráulico. No caso das barragens convencionais a energia é definida pelo peso do equipamento, o número de passadas e a espessura da camada, e se fazem equivalentes à vazão, concentração e altura de queda da lama, no caso dos aterros hidráulicos.

A complexidade do processo de deposição e a variabilidade das propriedades dos materiais depositados influenciam a distribuição das densidades e as porosidades, fazendo com que estas dificilmente obedeçam a um modelo sistemático, fácil de interpretar pelo projetista. Estes fatores fazem com que se tenha em campo, uma alta variabilidade destas propriedades geotécnicas. Devido a estas considerações, a informação em campo obtida deve receber um tratamento estatístico, de forma a considerar a importância desta variabilidade, seu real impacto nos critérios do projeto e na avaliação do comportamento das barragens de rejeito (Espósito & Assis, 1999).

Tendo como ponto de partida a equivalência entre as barragens convencionais e as de rejeito, e com a finalidade de realizar um adequado controle das condições de campo nos processos de deposição para a avaliação das condições geotécnicas de estabilidade das pilhas de rejeito, Espósito (1995) propôs uma metodologia geotécnica de controle de qualidade de barragens de rejeito. Esta técnica é baseada na coleta de amostras de campo, determinação da densidade

in-situ, umidade, granulometria e peso específico dos grãos, determinando posteriormente a

porosidade, a freqüência de ocorrência das porosidades pós-deposição hidráulica, obtendo os parâmetros de resistência do rejeito em laboratório e o estabelecimento das correlações entre porosidades e os parâmetros de resistência ao cisalhamento. Com base nisto se realiza a geração das distribuições estatísticas dos parâmetros de resistência, o cálculo das médias e os desvios padrões e por último uma análise probabilística da estabilidade, considerando a variabilidade dos parâmetros de resistência, fornecendo o fator de segurança e a

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confiabilidade ou probabilidade de risco da barragem de rejeito (Espósito et al., 1997; Espósito & Assis, 1998; Espósito & Assis, 1999; e Espósito, 2000). Lopes (2000) apresenta uma revisão desta metodologia, amplia o número de dados da amostra, estuda a influência da granulometria e da composição química nos parâmetros de resistência do rejeito, obtendo uma correlação entre a porosidade e o ângulo de atrito para várias faixas granulométricas e diferentes composições químicas. Também realiza uma análise da estabilidade da pilha do Xingu, Mina da Alegria, reavaliando conjuntamente os dados obtidos por Espósito & Assis (1997), concluindo que a metodologia apresenta resultados satisfatórios nos processos de avaliação das condições geotécnicas destes tipos de materiais.

Vale ressaltar que devido às variações do processo de exploração do minério, assim como das condições da reserva e das alterações nos processos de beneficiamento, as características do rejeito sofrem grandes variações ao longo do processo de alteamento da barragem, isto porque a barragem é alteada durante longos períodos de tempo e em função da produção da planta. Tendo como referência estas considerações, a metodologia acima definida deve ser acoplada ao chamado Método Observacional. Este método permite que modificações sejam incorporadas no projeto inicial da barragem, tendo como critério base a observação do comportamento da mesma e a variação das propriedades dos materiais utilizados durante os alteamentos sucessivos.

A conjunção do método observacional com a técnica de conhecimento da variabilidade das propriedades in-situ do material aliada a métodos probabilísticos de projeto, em concordância com análises de tensão-deformação, percolação e potencial de liquefação, é uma metodologia eficiente no controle de qualidade de execução de barragens de rejeito, e que apresenta como principal vantagem a fácil aplicação e incorporação na rotina de projeto, por parte das mineradoras, refletindo em segurança e economia devido à tomada de decisões a cada alteamento (Espósito & Assis, 1999).

Outros elementos que fazem parte importante do controle de qualidade geotécnico durante o alteamento de barragens de rejeito, são a variação das condições de drenagem com o aumento das pressões de confinamento, as relações tensão-deformação, assim como as reais condições de deposição dos materiais devido ao fenômeno hidráulico de transporte e deposição. Com o objetivo de ressaltar a importância destes e outros elementos de projeto, Valenzuela (1998) apresenta diversas considerações e experiências da engenharia chilena, com relação a

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evolução das técnicas de projeção de estruturas para a contenção de rejeitos de mineração com o emprego do próprio rejeito como principal material de construção.

Alguns autores abordam o tema do comportamento do rejeito depositado hidraulicamente. Cavalcante (2000) apresenta uma análise do efeito do gradiente de permeabilidade gerado durante os processos construtivos das barragens alteadas com rejeitos granulares, com a utilização da técnica de aterro hidráulico pelo método de montante, implementando um modelo onde a condutividade hidráulica nas análises de percolação é realizada de forma acoplada com os efeitos mecânicos, possibilitando definir novos perfis de condutividade hidráulica. Ribeiro et al. (1998) e Ribeiro & Assis (1999) apresentam uma discussão sobre o efeito das variáveis de deposição hidráulica no comportamento geotécnico de barragens de rejeito, avaliando os aspectos físicos dos processos de deposição e realizando uma modelagem em laboratório das condições de campo.

Já outros autores abordam aspectos do comportamento dos rejeitos, como por exemplo, a influência do confinamento na determinação dos parâmetros de resistência (Andrade et al., 1994). Jamett et al. (1995) realiza uma análise de estabilidade de um depósito de resíduos de mineração, utilizando uma metodologia para a avaliação da resistência residual dos rejeitos submetidos a altas tensões de confinamento. Este autor apresenta uma tabela na qual é dividido o material que constitui a estrutura em três zonas, caracterizadas em função da tensão de confinamento. Desta tabela é possível apreciar como o ângulo de atrito varia entre 34,0 e 45,5° em função da pressão de confinamento.

Outros trabalhos importantes têm sido desenvolvidos com o objetivo de entender e prever as características de sedimentação dos resíduos de mineração. Consoli (1995 e 1997) apresenta uma ferramenta numérica para a modelagem da disposição de rejeitos de mineração, com o objetivo de conseguir estimar o volume de rejeitos que pode ser armazenado em um reservatório, bem como o tempo necessário para o preenchimento do mesmo. Para conseguir a elaboração do modelo, o autor utiliza as equações que governam o fenômeno de transporte e deposição de sedimentos a fluxo livre, em um canal com fluxo em uma direção (Consoli, 1995). São também discutidas relações semi-empíricas que relacionam a posição Y(x, t) no plano de deposição do canal, a velocidade V(x, t) na seção transversal do canal ideal, as mudanças de altura Z(x, t) do plano de deposição e a variação da concentração de sedimentos

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um balanço de sedimentos, com a finalidade de estimar a concentração em suspensão nos diferentes pontos de deposição. Todas estas relações são solucionadas de forma simultânea com a utilização de um método de diferenças finitas dando, desta forma, origem ao método numérico para a solução de problemas de sedimentação. Este método foi testado com resultados satisfatórios, para uma barragem de rejeito localizada na região de Ouro Preto e alteada entre os anos de 1979 e 1987 (Consoli, 1997).

2.4 INFLUÊNCIA DO TEOR DE FERRO NO COMPORTAMENTO DE REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO

Como foi apresentado anteriormente, o tipo de minério explorado define a mineralogia dos rejeitos a serem obtidos. Já a natureza e a intensidade dos processos de beneficiamento condicionam as características granulométricas, assim como a presença em maior ou menor proporção de um ou outro mineral. O caso do rejeito proveniente da exploração do minério de ferro não é diferente, e a presença de ferro nos rejeitos obtidos é função das exigências comerciais e da eficiência nos processos de beneficiamento. A presença em maior ou menor quantidade do ferro no rejeito modifica as suas propriedades físicas e mecânicas.

Espósito (2000) e Lopes (2000) estudaram a influência do teor de ferro no comportamento mecânico dos rejeitos. Estes autores observaram que em alguns casos o material com maior porcentagem na composição química dos rejeitos é o ferro puro (Fe), superando inclusive a quantidade de sílica (SiO2) em valores que chegaram à proporção de 3:1. É de ressaltar que o

ferro apresenta uma densidade real dos grãos muito superior à apresentada pela sílica. Este fenômeno tem como conseqüência uma influência direta no peso específico dos grãos do material de rejeito. Tendo presente que o comportamento do material sofre a influência desta propriedade geotécnica, em maior ou menor intensidade, Espósito (2000) e Lopes (2000) concluíram que não é possível afirmar que o comportamento dos materiais de rejeito se assemelha ao comportamento das areias, baseado exclusivamente no fato de que na análise granulométrica dos materiais, estes sejam classificados como areias.

A experiência tem demonstrado que o comportamento das areias tipicamente quartzozas é pouco influenciado pela variação da densidade real dos grãos, uma vez que esta característica geotécnica apresenta uma variação muito pequena para este tipo de material. No entanto, para

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os materiais de rejeito, produto da extração do ferro, essa variação é bem maior. Espósito (1995) encontrou um valor de desvio padrão na medição da densidade real dos grãos de 0,34 t/m3, com uma média em torno de 3,80 t/m3, para rejeitos provenientes da mineração de ferro na pilha do Xingu. Adicional a esta informação, Espósito (2000) apresenta resultados similares medidos em campanhas de ensaios realizados posteriormente aos primeiros dados apresentados. Para a pilha do Xingu 0,39 t/m3 no desvio padrão e 4,02 t/m3 na média, e para a pilha do Monjolo um desvio padrão de 0,14 t/m3 e uma média de 3,16 t/m3 na determinação da densidade real dos grãos.

Com a finalidade de conseguir entender a relação entre o teor de ferro (Fe) e a densidade real dos grãos, Espósito (2000) e Lopes (2000) apresentaram gráficos e correlações teóricas e empíricas que tinham como objetivo expressar a relação entre estas duas propriedades dos rejeitos. Na Figura 2.2 é apresentado um resumo dos gráficos feitos pelos autores. Neste encontram-se contidos todos os dados apresentados nas bibliografias citadas.

2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 4,6 10 20 30 40 50 60 70 Conteúdo de Fe (%)

Massa esp. dos grãos (t/m

3 )

Monjolo (Espósito, 2000) Xingu (Espósito, 2000) Xingu (Lopes, 2000)

Figura 2.2 Relação entre a massa específica dos grãos e o teor de ferro nos materiais de rejeito, produto da mineração do ferro (modificado – Espósito, 2000 e Lopes, 2000).

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2.5 INFLUÊNCIA DA GRANULOMETRIA NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO

A metodologia apresentada por Espósito & Assis (1999) para o controle de qualidade geotécnica durante o alteamento de barragens de rejeito, foi desenvolvida e aplicada considerando a distribuição real da porosidade no campo. No entanto, os estudos que estabelecem a correlação entre a porosidade e os parâmetros geomecânicos, através de ensaios de laboratório, só consideram uma distribuição granulométrica, e uma determinada composição química, assumidas como as mais representativas dentro das faixas de variação encontradas no campo. Como conseqüência disto, as correlações obtidas em laboratório consideram somente a dependência dos parâmetros geotécnicos como a porosidade, não avaliando a dependência destes parâmetros em relação à composição química (porcentagem de ferro) e à distribuição granulométrica (Lopes, 2000).

Tendo presente estas considerações e objetivando estabelecer uma relação entre a variação do teor de ferro, a densidade específica dos grãos, a granulometria dos materiais depositados e a resistência ao cisalhamento, Lopes (2000) tomou como ponto de partida a clara relação existente entre a porosidade e os parâmetros de resistência, assim como o princípio de que cada amostra é caracterizada por um teor de ferro, e apresenta uma granulometria determinada que pode ser representada por seu respectivo valor de D50. Tendo como base estes elementos,

Lopes (2000) apresenta uma relação de dependência do ângulo de atrito com a porosidade e a granulometria do material (Figura 2.3).

No entanto, continua sem ser estabelecida uma relação clara entre os parâmetros de resistência e o teor de ferro presente na amostra. Esta relação permitiria ao projetista avaliar preliminarmente as propriedades mecânicas dos materiais de rejeito depositados, com base em ensaios simples, como a determinação da porosidade na qual o material é depositado e a avaliação da porcentagem de ferro do rejeito, ensaio rotineiro e de fácil execução nas mineradoras.

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30 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55 60 65 Porosidade (%) Ângulo de atrito ( o ) D50 = 0,134 - Am 06 D50 = 0,162 - Am 10 D50 = 0,211 - Am 02 D50 = 0,235 - Am 10-A D50 = 0,203 - Am 10-B

Figura 2.3 Relação de dependência do ângulo de atrito com a porosidade e a granulometria (Lopes, 2000).

2.6 COMPORTAMENTO NÃO DRENADO DE REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO

Um outro aspecto que tem sido muito pouco estudado no Brasil é o comportamento dos rejeitos sob cargas estáticas e dinâmicas que induzem nos depósitos comportamentos particulares como liquefação ou cisalhamento sob condições não drenadas. Gumieri et al. (1995) apresentam um estudo do potencial de liquefação de rejeitos de mineração de ferro, no qual se analisa a possibilidade de ocorrência de liquefação sob a ação de carga estática, considerando os resultados de ensaios triaxiais realizados em corpos de prova de material de rejeito. Tibana et al. (1998) apresentam um estudo das características de resistência não drenada de um resíduo de mineração de ferro sob a ação de carregamentos monotônicos, cíclicos e diferentes trajetórias de tensões durante o processo de cisalhamento de diferentes corpos de prova, moldados em laboratório. No caso especifico de liquefação, Busch et al. (1999) propuseram a necessidade de pesquisar técnicas de ensaios e de análises que permitissem prever, com simplicidade e confiabilidade, até onde se pode prescindir de compactação na execução dos maciços de barragens, executadas pelos métodos da linha de centro e de jusante. Isto baseado na baixa sismicidade da maioria do território brasileiro.

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2.7 CARACTERÍSTICAS DO REJEITO DA PILHA DE MONJOLO NA MINA DO COMPLEXO ÁGUA LIMPA

A mina do Complexo Água Limpa se encontra localizada a 140 km de Belo Horizonte, no município de Rio Piracicaba. Encontra-se em operação desde o ano de 1963. Suas reservas superam 10 milhões de toneladas de minério de ferro hematítico de alto teor, e 120 milhões de toneladas de itabirito. Na mina do Complexo Água Limpa são produzidos concentrados hematíticos de itabirito, via espirais. Sua capacidade de produção gira em torno de 9 milhões ROM (Run of Mine), e de 5 milhões de produto final.

O rejeito proveniente dos processos de separação por espirais situa-se na faixa granulométrica das areias médias a finas, com uma massa específica dos grãos média de 3,16 t/m3_{, e uma}

composição química média de 22% de Fe e 67% de SiO2. Os 11% restantes são compostos

por Al2O3, P, Mn, TiO2, MgO e CaO, entre outros. O rejeito é transportado por via hídrica e

depositado na pilha de rejeito do Monjolo através da técnica de aterro hidráulico, sendo o alteamento realizado pelo método de montante (Espósito, 2000).

O projeto desta pilha prevê um dique de partida com enrocamento de pé, na cota 800 m e alteamentos sucessivos, com o próprio rejeito, até a cota 900 m. A geometria da pilha apresenta taludes individuais com 10 m de altura e inclinações 1,0V:2,0H, com bermas de 8 m de largura. Esta estrutura possui um dreno de fundo, numa extensão de 150 m, e um extravasor.

Na Tabela 2.1 se apresenta um resumo das principais propriedades do material que compõe esta pilha de rejeito. Várias destas propriedades foram medidas em campo, e outras de amostras coletadas para ensaios de laboratório no ano de 1996. A pilha se encontrava na cota 834 m. Estes resultados são apresentados por Espósito (2000).

O rejeito proveniente da pilha do Monjolo é o material que foi utilizado para os ensaios realizados durante o desenvolvimento da presente pesquisa. Este material foi também utilizado por Ribeiro & Assis (1999) e Ribeiro (2000) na modelagem física dos processos de deposição hidráulica associados a barragens de rejeito.

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Tabela 2.1 Variação das características do rejeito da Pilha do Monjolo, Mina Morro Agudo (modificado - Espósito, 2000).

Propriedade Unid. Máximo Mínimo _Média

X Desvio Padrão s s/X ρ (t/m3) 2,16 1,63 1,90 0,15 0,079 w (%) 8,0 2,0 4,2 1,6 0,380 ρd (t/m3) 2,08 1,55 1,82 0,15 0,082 ρs (t/m3) 3,50 2,93 3,16 0,14 0,044 Fe (%) 32,0 14,5 22,4 4,0 0,179 SiO2 (%) 78,5 53,7 67,2 5,8 0,086 e - 1,00 0,52 0,74 0,11 0,149 n (%) 50 34 42 4 0,095 D10 (mm) 0,085 0,040 0,056 0,011 0,196 D50 (mm) 0,310 0,130 0,213 0,037 0,180 D60 (mm) 0,385 0,195 0,264 0,051 0,193 D90 (mm) 0,850 0,420 0,555 0,113 0,204 CU (D60/D10) - 6,79 3,00 4,76 0,71 0,149 D90/D10 - 13,33 6,47 9,97 1,49 0,149 % Finos (%) 14 4 9 3 0,333 Observações: ρ - Densidade; w - Umidade; ρd - Densidade seca;

ρs - Densidade real dos grãos;

Fe - Ferro;

SiO2 - Óxido de silício (Sílica);

e - Índice de vazios;

n - Porosidade;

D10 - Diâmetro efetivo;

D50 - Diâmetro médio;

D60 - Diâmetro equivalente para o qual passa 60% do material obtido da curva

granulométrica;

D90 - Diâmetro equivalente para o qual passa 90% do material obtido da curva

granulométrica;

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CAPÍTULO 3

3. COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MEIOS GRANULARES

A análise e o estudo do comportamento dos meios granulares é um elemento de fundamental importância no desenvolvimento da presente pesquisa, isto com a finalidade de conseguir explicar, e melhor entender, o comportamento das relações tensão-deformação nos materiais de rejeito de minério de ferro. Estes materiais geralmente são classificados como areias médias ou finas, nos métodos convencionais de classificação.

A resistência ao cisalhamento dos solos granulares é um dos temas mais debatidos na literatura clássica de Mecânica dos Solos. Na atualidade é possível encontrar diversos trabalhos e livros que visam explicar como estas relações se apresentam nos problemas práticos, e nas diferentes condições de análise, em função de um numeroso conjunto de variáveis que incidem de maneira direta ou indireta no seu comportamento.

A seguir se apresentam os elementos e conceitos mais relevantes da mecânica dos solos granulares, que são fundamentais para a interpretação dos resultados dos ensaios de laboratório, realizados no desenvolvimento da presente pesquisa.

3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE AREIAS

Os diferentes fatores que intervêm na resistência ao cisalhamento de um solo granular são divididos em dois grupos. No primeiro encontram-se os elementos que intervêm na resistência ao cisalhamento de um determinado solo, como o índice de vazios, a pressão de confinamento, a velocidade de carregamento, o tipo de carregamento, as condições de drenagem, o grau de saturação, entre outros. No segundo grupo encontram-se os fatores que fazem com que a resistência de um solo se diferencie da de outro, inclusive para a mesma pressão de confinamento e índice de vazios, que são a composição mineral, sua origem