Modelagem Numérica do confinamento proporcionado pelo
enchimento de minas de carvão subterrâneas com câmaras e pilares
Andre Zingano, Cleber Gomes, and Jair Carlos Koppe Dept. of Mining Engineering
Univ. Federal do Rio Grande do Sul
Abstract
It is known that the backfilling confinement increases the pillar strength and also reduces the rib displacement. With backfilling is possible to increase the room-and-pillar mining recover. This paper aims to study the behavior of coal pillars when the confinement with rockfill is used as backfilling material. Laboratory tests were carried out to determine the backfilling materials behavior and a constitutive model was developed for each kind of material. Different numerical simulations of the backfilling the room-and-pillar coal mine entry were performed. The backfill method showed to be a good strategy to: (i) improve the ground stability in room-and-pillar coal mines for long term, especially for weak coal seams, (ii) increase the coal mining recover and (iii) reduce the quantity of waste material on waste piles at the surface.
Keywords: backfill, coal mining, pillar recovery, numerical modeling
Introdução
O carvão mineral é a maior fonte de combustíveis não renováveis do país, cujas recursos representam cerca de 50% dos recursos não revováveis brasileiros, seguidos por combustíveis nucleares com 27% e petróleo com cerca de 8%. O balance é complementado pelas reservas de gás natural, xisto betuminoso e turfa. Do total de 32,3 bilhões de toneladas de recursos de carvão, no Brasil, Santa Catarina apresenta cerca de 10% (3,4 bilhões de toneladas), sendo atualmente o maior produtor brasileiro de carvão R.O.M.
As características físico-químicas dos carvões de Santa Catarina coal são distintas de outros carvões do mundo. Pelo seu alto conteúdo em cinzas e pela quantidade de estéreis incluídos na camada, resultam numa grande quantidade de rejeitos gerados na obtenção do
principal produto vendável com 42% de cinzas (4.500 kcal/kg). A camada Barro Branco tem espessura média abaixo de 2 metros, e a Bonito em média 3 metros. São formadas por carvões com altos teores de cinzas e enxofre, utilizados principalmente na geração de energia elétrica no complexo Jorge Lacerda, cujo consumo mínimo é de 2,4 milhões de toneladas por ano. A idéia de utilizar esses rejeitos como material de enchimento nas aberturas subterrâneas é antiga, porém adquire viabilidade econômica na medida em que as restrições ambientais e consequentemente os custos são cada vez maiores na deposição desses rejeitos em superfície.
As coberturas nas minas em operação giram em entorno de 150 a 250 m e as dimensões dos pilares quadrados variam de 8 metros, chegando em alguns casos a 40 m na camada Bonito. Ficando a razão de extração média em 40%. Durante os mais de 100 anos de atividade na lavra subterrânea de carvão, algumas centenas de milhares de pilares foram traçados, dos quais aproximadamente 1.000 romperam em 13 casos conhecidos de colapso de pilares em minas subterrâneas.
Grandes investimentos no aprimoramento técnico tem sido realizados nos últimos anos de forma a introduzir novos conceitos e tecnologias nas minas da região, com ênfase na redução dos impactos ambientais e na melhoria das condições de higiene, saúde e segurança no trabalho, onde se inclui o enchimento com rejeitos backfill.
Experiências com backfill foram realizadas em 3 minas de carvão.em Santa Catarina. Na mina Bonito I foram realizados testes com enchimento hidráulico, enchimento com material grosseiro rock fill e enchimento com polpa com e sem adição de cimento. As misturas de cimento com rejeitos finos de carvão foram transportadas para o subsolo, sob forma de polpa, através de tubulação e foram dispostas sobre rejeitos grosseiros préviamente dispostos mecânicamente como “rock fill” (Heemann & Costa, 2008).
O enchimento hidráulico foi executado com finos oriundos da unidade de beneficiamento de carvão com concentração de 65 a 70% de sólidos, tratados em hidrociclones para remoção dos ultrafinos. A mistura de enchimento é bombeada da superfície para o subsolo através de tubulação com diâmetro de 76,20 mm. A mistura final deve conter uma concentração de 80 a 90% em sólidos em peso, ou seja, com pequeno excedente de água para que em repouso se mantenha predominantemente como uma fase única homogênea (Henderson, 2006). A pasta mineral também pode ser definida como um sistema coloidal com características de um fluido homogêneo no qual não há uma uma significativa segregação granulométrica das partículas
(Araújo, 2006).
A pasta foi usada no enchimento da mina Bonito I em células de teste e também em áreas no subsolo, préviamente confinadas por enchimento com material grosseiro e por paredes construídas com blocos de cimento. Desta forma foi possível encapsular áreas de rock fill do painel, reduzindo os custos de adição de cimento (Ferreira, 2007). Em determinados travessões foram depositadas camadas de preenchimento hidráulico constituído por finos, seguidas pela deposição de pasta mineral cimentada. A deposição por camadas minimiza os riscos inerentes à percolação de águas. (Heemann & Costa, 2008).
No passado recente, há 3 anos atrás iniciou-se um projeto integrado de backfill, financiado pela REDE CARVÃO com contrapartida do Sindicato da Indústria de Extração de Carvão do Estado de Santa Catarina - SIECESC, principalmente focado nas operações na camada Bonito.Este estudo de enchimento (backfill) de galerias e painéis utilizando rejeitos finos e grosseiros, produzidos no beneficiamento de carvão, misturados com outros resíduos (incluindo cinzas pesadas de termelétricas bottom ash), visa prioritáriamente a estabilização dos pilares, prevenindo o processo de desintegração causada pela queda progressiva das suas laterais (desplacamento) e portanto garantindo sua estabilidade. A garantia da estabilidade dos pilares a longo prazo é condição fundamental para a viabilidade da extração da camada Bonito, além disso, há redução do impacto ambiental causado pela deposição de rejeitos em superfície. Esta alternativa para a disposição conjunta de rejeitos incrementa a sustentabilidade da atividade carbonífera.
No desenvolvimento do projeto foram caracterizadas possíveis misturas com rejeitos de outros processos industriais, principalmente cinzas de termelétrica e resíduos da construção civil. Foram considerados aspectos técnicos, ambientais e econômicos de seu uso como enchimento de minas ativas ou abandonadas para mitigar os efeitos de subsidência.
A classificação dos maciços rochosos para determinação das propriedades geomecânicas das rochas que formam o sistema de piso, teto e pilar, e a estimativa do comportamento de longo prazo do enchimento e dos pilares confinados, são fundamentais no desenvolvimento das técnicas de enchimento mais adequadas às condições locais. O desenvolvimento de sistemas de monitoramento eficientes, que funcionem de forma confiável em áreas preenchidas, de difícil ou de nenhum acesso, capazes de obter informações sobre o comportamento dos pilares e do enchimento se constituem num dos grandes desafios do projeto.
Foram desenvolvidas novas metodologias para obtenção de misturas, visando a determinação da resistência dos corpos de prova, para a determinação do comportamento geoquímico e geotécnico das misturas e para o monitoramento de áreas preenchidas em subsolo.
Resultados do monitoramento geoquímico indicam que os processos de acidificação decorrentes da oxidação da pirita ainda não se manifestaram. Os ensaios cinéticos de lixiviação de algumas amostras foi realizado nos laboratórios da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. Todas as informações obtidas tem sido disseminadas através de artigos técnicos e seminários da REDE CARVÃO.
A definição dos parâmetros de resistênica das misturas, das propriedades dos materiais de enchimento e do seu comportamento são os passos mais importantes antes da sua aplicação em larga escala em minas subterrâneas de carvão. Nesta fase são utilizados testes de laboratório e modelos numéricos para entender os efeitos do backfill no confinamento dos pilares e na redução do movimento dos maciços de teto e pilares nas minas. (Zingano et al., 2010). Após a conclusão desta etapa está prevista a aplicação de um piloto de larga escala em uma mina de carvão.
O objetivo deste trabalho é determinar o modelo constitutive do material de enchimento, levando-se em conta os testes de laboratório e a simulação com modelos numéricos, e também similar o comportamento do material de enchimento no entorno de um pilar e o acréscimo de resistência proporcionado pelo confinamento lateral do pilar, bem como estimar a consequente redução da convergência do teto.
A metodologia desenvolvida neste trabalho visava primeiramente estudar o comportamento do material de enchimento em testes de laboratório por meio de ensaios de compactação. Ao mesmo tempo estes testes medem a pressão de confinamento resultante na parede da câmara durante a compactação do material de enchimento. Foi construído um modelo numérico para calibrar o modelo constitutivo do enchimento baseado nos testes de compactação, de forma a ajustar o comportamento do modelo ao comportamento do material testado. A partir daí o modelo numérico que simula o sistema pilar / galeria foi contruído para simular a pressão de confinamento, que pode ser aplicada ao pilar, decorrente da compactação do material de enchimento, causada pela deformação do pilar e do teto.
Os testes de laboratório foram realizados em câmaras de alumínio onde foram medidos a razão de compactação e a pressão exercida pelo material compactado na parede da câmara, por
meio de células de carga. A principal meta do modelamento numérico é ajustar o confinamento na lateral do pilar com aquele proporcionado pelo material compactado na parede da câmara de alumínio.
Comportamento do Material de enchimento
Um bom número de testes de laboratório foi realizado para entender o comportamento de diferentes tipos de materiais de enchimento, principalmente misturas com materiais grosseiros e finos e material cimentado (Zingano et al., 2010). Em ambos os casos os rejeitos utilizados eram oriundos do beneficiamento de carvão, basicamente constituídos por siltitos e argilitos presentes nas intercalações das camadas de carvão.
O testes de laboratório foram utilisados para a avaliação do comportamento e determinação do modelo constitutive do material de enchimento, incluindo misturas cimentadas e não cimentadas. Foram realizados testes de compactação no material de enchimento e testes de resistência uniaxiais e triaxiais em corpos de prova cimentados.
Os resultados mostraram que a resistência à compressão de misturas cimentadas é relativamente baixa, variando de 1,45 a 2,77 MPa (tabela 1 e 2), em função da resistência do agregado formado predominantemente por siltitos e argilitos. Para aumentar a resistência é necessário o aumento da quantidade de cimento.
Tabela 1 – Lista das misturas e a percentagem de cada componente em peso Mistura Rejeitos
(R1+R2+R3)
Cinza Pesada
Cinza
Leve Cimento Cal
Rejeito Fino 1 75 5 5 15 2 70 10 10 10 3 70 12,5 12,5 5 4 70 20 10 5 70 20 5 5 6 70 15 5 10
Mistura Resultados de Resistência (MPa) Média 1 2,98 2,5 3,42 3,4 3,34 2,77 2 2,27 2,77 2,02 2,82 2,83 2,45 3 0,66 1,25 1,34 1,3 1,16 1,45 4 1,31 1,44 1,21 1,46 1,40 1,80 5 0,98 1,08 0,70 1,94 6 Menos de 10kN
O alto custo do backfill cimentado incentive o estudo do comportamento de misturas sem adição de cimento e ressaltam a importância de entender o comportamento do material de enchimento durante o processo de compactação, causado pela ruptura do pilar e do teto.
Para o enchimento com rejeito puro não existe resistência inicial, tendo em vista que não existe coesão entre os grãos, somente fricção. Portanto o material de enchimento somente proporciona confinamento ao pilar na medida que vai sendo confinado e compactado pela deformação do maciço (predominantemente teto e pilar). Desta maneira o enchimento somente agirá como reforço estrutural e proporcionará algum confinamento ao pilar após o início da ruptura do pilar e do teto.
Este estudo e a determinação do modelo constitutivo do comportamento destes materiais de enchimento foi realizado por meio de testes de compactação em câmaras de alumínio, onde a pressão nas paredes era determinada por meio de células de carga (Zingano et al., 2010). Os resultados destes testes mostraram a relação entre o deslocamento vertical e a pressão vertical com a pressão lateral. A Tabela 3 e a figura 1 mostram os resultados destes testes.
Tabela 3 – Resultados dos testes de compactação Carga (kN) Deslocamento (mm) Deslocamento. (m) Pressão (kPa) Deformação (m/m) Deformação (%) 0 0 0,000 0.0 0,0000 0,0 15 7 0,007 1909,9 0,0737 7,4 20 20 0,020 2546,5 0,2105 21,1 30 24 0,024 3819,7 0,2526 25,3 40 26 0,026 5093,0 0,2737 27,4 45 27 0,027 5729,6 0,2842 28,4 50 27 0,027 6366,2 0,2842 28,4
Figura 1 – Deslocamento vertical e carga vertical para os testes de compactação (Zingano et al., 2010)
A pressão lateral foi medida por meio de células de carga. Zingano et al (2010) mostrou que o comportamento do enchimento durante a compactação tem três fases distintas. Nas fases 1 e 2, ocorre o fechamento dos vazios e a quebra de alguns fragmentos maiores e confinamento é muito baixo. Uma vez que a compactação começa (fase 3), a pressão lateral tem um comportamento linear, diretamente proporcional à pressão vertical (figura 2 and tabela 4).
Figura 2 – Pressão lateral na parede da câmara causada pela compactação do material de enchimento.
Tabela 4 – Resultado dos testes de compactação e pressão lateral Carga Vertical (kN) Deslocamento (mm) Pressão Vertical (kPa) Deslocamento (mm) Pressão Lateral (kPa) 0 0 0,0 0 0,0 15 7 1909,9 7 750,0 20 20 2546,5 20 600,0 30 24 3819,7 24 1000,0 40 26 5093,0 26 1250,0 45 27 5729,6 27 1380,0 50 27 6366,2 27 1530,0
Baseado nos testes conclkuimos que o material de enchimento se comporta com um endurecimento compactação bi-linear, onde a resistência aumenta devido ao fechametno dos vazios e a quebra do material (Tabela 4).
O modelo numérico foi feito no FLAC v.6 para simular o testes de compactação e determiner os parâmetros do modelo constitutivo do material de enchimento, considerando coesão zero (figura 3 e 4). Após alguns ajustes nas propriedades do material de enchimento chegamos às propriedades mostradas na tabela 5. O modelo constitutivo utilizado para o material de enchimento foi de deformação dupla, levando em consideração a deformação/pressão medida nos testes de laboratório.
Figura 3 – Modelo numérico para similar o enchimento e o confinamento no pilar
(b)
Figura 4 – Comparação entre os testes de laboratório e a simulação numérica.
Tabela 5 – Propriedades do material de enchimento usados no modelo numérico
Bulk (Pa) Shear (Pa) Coh (Pa) Fric (deg) Comp (Pa) Young (Pa) Poisson
3.032E+08 1.011E+08 0.00E+00 15 0.000E+00 2.73E+08 0.35
Strain/pressure table
Strain (%) 0 .0737 .2105 .2526 .2737 .2842 .2842
Pressure (Pa) 0 1.9e6 2.55e6 3.82e6 5.09e6 5.73e6 3.37e6
A Figura 4 mostra o comparativo dos resultados do modelo de laboratório com os testes de laboratório. Como pode ser visto, o modelo segue o comportamento dos testes no que se refere à compactação e pressão lateral, portanto o modelo constitutivo de deformação dupla pode ser usado para a simulação do comportametno do material de enchimento.
A representação da variação linear de pressão lateral pode ser expressa pela equação abaixo, principalmente para a Terceira fase de evolução da pressão lateral.
Pressão lateral = (308,04 – pressão vertical) / 4,24
Modelo Numérico
Um modelo numeric 2D foi construído para similar o comportamento do pilar com e sem enchimento e comparar a diferença na compactação e no confinamento do pilar. O tamanho
origina do pilar foi de 16x16m com 3.5m de altura. As galerias e travessões possuem 6m de largura. O modelo simula metade da altura e da largura do pilar (figura 5).
(a)
(b)
Figura 5 – Deslocamento vertical e confinamento da lateral do pilar.
O modelo simula 2 condições de enchimento: (i) assumindo que o enchimento preenche 66%, da galleria atingindo uma altura de 2,3m, e (b) que a galleria esteja completamente cheia e que o material de enchimento encoste no teto da galeria. A propriedades das rochas são mostradas na tabela 6.
Tabela 6 – Propriedades da camada e do teto
Rock Bulk (Pa) Shear (Pa) Coh (Pa) Friction (deg) Tension (Pa)
Arenito 6.7e9 4e9 1e9 20 2e6
Carvão 2.5e9 1.1e9 2e6 15 0.5e6
O modelo constitutive do material de enchimento foi baseado em testes de laboratório e segue o modelo double yield failure criteria (tabela 5).
O modelo foi submetido à mesma gama de pressão dos testes de compactação (tabela 4). A Figura 5 mostra o deslocamento vertical do teto imediato e o confinamento da parede do pilar baseada na tensão vertical. As curvas também considera as condições de enchimento propostas.
Pode ser observado que a deformação vertical é similar no casos de enchimento completo e no caso de enchimento parcial com 66% da altura da galeria. Porém o maior deslocamento no ultimo caso se deve ao fato de haver uma altura de 0,6 m livre para o deslocamento. A linha tracejada na figura 5a mostra o deslocamento somente do backfill, desconsiderando o deslocamento livre do teto na porção não preenchida.
O confinamento do pilar foi um pouco maior do que o obtido no teste de laboratório, tendo em vista que o confinamento ocorre tanto pela movimentação do teto quanto da lateral do pilar.
Conclusões
Este artigo teve o objetivo de apresentar o modelo desenvolvido para simular o comportamento do enchimento baseado em ensaios de laboratório e em modelagem numérica. O modelo constitutivo e o critério de ruptura proposto é baseado no critério double yielding failure apresentado no software FLAC v.6.
Uma vez que o enchimento não tem resistência inicial, o confinamento da parede do pilar somente começa a ocorrer na medida em que o material de enchimento começA a ser compactado. A compactação do material de enchimento ocorre na medida em que ocorram deformações no teto da galleria e na lateral dos pilares. Este fenômeno representa uma oportunidade para o teste com recuperação de pilares, ou para extração parcial em recuo de forma a induzir a deformação do teto e dos pilares e provocar a compactação do material de
enchimento.
A razão de compactação depende da pressão aplicada ao material de enchimento, assim como a subsidência é função da compactação do material..
Referências
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ZINGANO, A, GOMES, C., COSTA, J., KOPPE, J., 2010, Study of the behavior for backfilling material in room-and-pillar coal mining In: ICGCM, 29th Int. Conf. on Ground Control in Mining, 2010, Morgantown. ICGCM, 29th Int. Conf. on Ground Control in Mining. Morgantown: Morgantown Printer, 2010. p.348-352
