Anderson Lus Weiss et al.
Minerao
Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao
de carvoAnderson Lus WeissEng. de Minas, Mestre pelo PPGEM, UFRGS.
E-mail: [email protected]
Andr Cezar ZinganoEng. de Minas, Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS.
E-mail: [email protected]
Joo Felipe C.L. CostaEng. de Minas, Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS.
E-mail: [email protected]
Jair Carlos KoppeEng. de Minas/Gel., Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS.
E-mail: [email protected]
ResumoO dimensionamento dos pilares e do reforo do teto em
minerao subterrnea de carvo deve levar em considerao parmetros como
o comportamento geomecnico do macio rochoso e os equipamentos de
lavra empregados. Esse artigo demonstra o mtodo de classificao
geomecnica baseado no Coal Mine Roof Rating (CMRR), uma ferramenta
de engenharia que descreve qualitativamente as condies geolgicas e
geomecnicas das rochas em minas de carvo para seleo do tipo de
suporte de teto. Diferentes ndices de CMRR foram identificados e
ento considerados para definir a largura mxima nos cruzamentos, o
comprimento e a capacidade de carregamento dos parafusos de teto.
Essa metodologia provou ser adequada, minimizando os riscos de
ruptura de teto e predizendo o tipo de suporte mais apropriado a
ser empregado s vrias zonas dentro do depsito, conforme ilustrado
no estudo de caso. Palavras-chave: carvo, geomecnica, lavra
subterrnea.
AbstractThe pillar and roof support design should take into
account the rock mass mechanical behavior and excavation method
(blasting or mechanical excavation). This work aims to improve the
approach for roof support design in underground coal mines to
reduce the risks of roof failure and determine the adequate roof
support for each kind of roof typologies found in the mine area.
This design approach is based on geological mapping and
geomechanical classification CMRR - Coal Mine Roof Rating. This
engineering tool describes qualitatively the geological and
geomechanical conditions of the roof rock mass for coal mines to
select appropriate roof support. Different classes of CMRR were
identified at Barro Branco coal mine. Therefore, based on the CMRR
classification it was considered the maximum roof span at
crossings, bolt length and bolt load capacity. The methodology is
adequate to reduce roof falls and predicting the adequate support
for different roof typologies for different zones in the mining.
Keywords: coal, geomechanical classification, underground
mining.
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Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao
de carvo
1. IntroduoO Estado de Santa Catarina atualmente produz 50% do
carvo nacional. A maioria das minas de carvo de Santa Catarina so
subterrneas e utilizam o mtodo de cmaras-e-pilares. Problemas de
suporte e reforo do teto imediato fazem parte da rotina nas fases
de planejamento e operao de lavra. A Mina Barro Branco, pertencente
Indstria Carbonfera Rio Deserto Ltda, minera a camada Bonito. Essa
mina est localizada no municpio de Lauro Mller, situada ao sul do
Estado de Santa Catarina. O teto imediato formado, basicamente, por
arenito laminado ou arenito macio. De acordo com a qualidade do
macio rochoso do teto, deve ser projetado um tipo de reforo
especfico. Atualmente, o tipo de reforo do teto imediato o mesmo ao
longo de toda a mina, independente das variaes na tipologia do
teto. Acidentes associados a caimentos de rochas so poucos, apenas
em situaes em que o vo torna-se muito largo, ou quando a ancoragem
do parafuso de teto inadequada ao tipo de teto. Esse estudo tem
como meta averiguar o modelo de reforo de teto empregado
atualmente, considerando a qualidade do teto imediato. Esse
trabalho aplica uma metodologia para o mapeamento das litologias do
teto imediato e sua classificao geomecnica, a qual baseada a
classificao Coal Mine Roof Rating - CMRR (Molinda & Mark,
1994). Com base nessas informaes, ser verificado se o padro de
reforo utilizado atualmente adequado geometria das escavaes e
qualidade do teto imediato.
(iii) Determinar se o reforo aplicado ao teto atualmente
adequado. Se no for adequado, sugerir o reforo com base na
classificao CMRR. Vrios autores apresentam metodologias para o
dimensionamento do reforo do teto em minas de carvo (Unal, 1983;
Peng, 1986; Bieniawski, 1989). A classificao CMRR (Molinda &
Mark, 1994; Mark et al., 2001 e 2002; Weiss, 2003) identifica os
fatores litolgicos que influenciam na competncia estrutural do teto
de galerias em minas de carvo e determina seu valor de acordo com o
grau de importncia de cada camada que forma o teto imediato. A
classificao CMRR emprega um sistema de classificao similar
classificao RMR de Bieniawsk (1973 e 1989). O teto imediato deve
ser inicialmente dividido em unidades estruturais. Uma unidade
estrutural pode ser designada como uma nica camada litolgica ou uma
seqncia de camadas formando um nico intervalo distinto, que deve
ter no mnimo 0,15 m de espessura. Em minas de carvo, comum a
presena de finas camadas, que so agrupadas em uma nica unidade,
devido s semelhanas das propriedades fsicas. Planos de fraqueza
como laminao, xistosidade, juntas ou falhas tornam a rocha bastante
suscetvel delaminao e ao cisalhamento. Dessa forma, um dos fatores
determinantes no clculo do CMRR medir a resistncia ao cisalhamento
desses planos de fraqueza. A capacidade de uma descontinuidade
resistir a esse desplacamento funo da coeso e rugosidade das
superfcies, as quais devem ser contabilizadas para cada unidade
estrutural previamente definida. A freqncia de descontinuidades de
uma famlia outro fator que afeta a competncia estrutural global da
unidade. A freqncia de descontinuidades determinada pelo inverso do
espaamento entre as descontinuidades (Priest & Hudson, 1976).
Quanto mais prximas elas estiverem dispostas e quanto maior for sua
extenso, mais fraco ser o macio rochoso.
Depois de obtido o valor individual, para cada famlia de
descontinuidades presente na unidade estrutural, somando os valores
referentes resistncia ao cisalhamento e freqncia das fraturas,
faz-se o ajuste para mltiplas famlias de descontinuidades. Esse
ajuste aplicado quando h mais de um conjunto de falhas na unidade
analisada. A determinao da resistncia compresso das rochas que
formam a unidade necessria na classificao CMRR. Podem ser
utilizados testes de carga pontual ou resistncia compresso simples
(Mark et al., 2002). O teste da sensibilidade umidade realizado de
maneira a observar qual o grau de desagregao da rocha depois de
estas estarem imersas em gua durante 24 horas. As faces expostas
das rochas ou dos caimentos de teto so suscetveis infiltrao de gua
e ao da umidade do ar. Esse processo de intemperismo contribui para
a expanso das argilas, favorecendo a delaminao da rocha. O prximo
passo determinar o grau de importncia da unidade estrutural na
estabilidade global do teto imediato. A atribuio do peso mdio
utiliza a espessura da unidade (RRw), que obtido em funo do
comprimento do parafuso e o intervalo das unidades em que ele est
compreendido. Outro conceito importante incorporado ao CMRR o
conceito de camada forte. A competncia estrutural global das
unidades ancoradas pelo parafuso de teto determinada pela qualidade
da camada mais competente no intervalo compreendido pelo parafuso.
O ajuste para camada forte depende de vrios fatores. O primeiro o
contraste entre a competncia da camada forte em relao s demais
unidades. Quanto mais competente for a camada, em relao s demais
camadas (unidades), maior ser sua contribuio. O segundo fator a
espessura dessa camada, que deve ser, no mnimo, de 0,30 m, para
satisfazer a ancoragem e promover qualquer suporte adicional.
2. MetodologiaA metodologia aplicada nesse trabalho segue as
etapas apresentadas a seguir: (i) Especificar a geologia do teto em
cada setor da jazida. (ii) Determinar a qualidade do teto, com base
na classificao CMRR.94
REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(2): 93-98, abr. jun. 2004
Anderson Lus Weiss et al.
A presena de gua nas galerias pode ativar a sensibilidade das
rochas do teto, quanto umidade, e reduzir sua capacidade de
suporte. A deduo deste parmetro baseada no fluxo de gua em toda a
seqncia do teto. As observaes so realizadas em campo e a quantidade
de gua que percola pelo teto das galerias definida ao longo de
3.000 m de extenso. A resistncia das rochas sobrejacente ao espao
fixado pelos parafusos pode afetar a estabilidade do sistema de
suporte. Se as rochas acima do pacote parafusado forem mais fracas,
deve-se aplicar uma carga extra sobre o teto. Para isto empregado
um ajuste de sobrecarga. A conjugao de todos os fatores que
contribuem para a competncia geomecnica do teto feita para o clculo
do CMRR.
o objetivo de reproduzir, tanto as caractersticas espaciais,
quanto as caractersticas estatsticas, utilizou-se o mtodo da
simulao seqencial gaussiana (Isaaks, 1990), compilado no programa
SGSIM da biblioteca de softwares GSLIB (Deutsch & Journel,
1998). Aps ser estimada a distribuio das duas unidades presentes na
mina, foram mapeadas as estruturas geolgicas. Nos trabalhos de
campo, observouse a presena de dois conjuntos estruturais (laminao
horizontal plano-paralela e falhamentos), dando origem a seis
condies geolgicas e estruturais distintas, que podem ser
encontradas na mina (Figura 1). Na condio 1, encontrado arenito
macio cortado por fraturas e falhas. Na condio 2, o arenito macio
no cortado por descontinuidades. Na condio 3, encontrado arenito
laminado, que cortado por falhas e fraturas. Na condio 4, o arenito
laminado no cortado por descontinuida-
des, existe apenas a laminao do arenito. Nas condies 5 e 6, o
teto imediato formado por arenito laminado e por arenito macio mais
acima, sendo que, na condio 5, as duas camadas so cortadas por
falhas e fraturas. As Tabelas 1 e 2 apresentam um resumo das
informaes para as estruturas geolgicas presentes em cada unidade. A
Tabela 1 mostra a Unidade 1 com as duas famlias de descontinuidades
(laminao e falhas). A Tabela 2 exibe as caractersticas geolgicas e
geomecnicas da estrutura na Unidade 2. Para cada caso analisado,
aplicou-se o ajuste de reduo, devido ao desmonte (Kendorki et al.,
1983 in Bieniawski, 1989). Esse ajuste relaciona as condies e os
mtodos de desmonte ao grau de reduo a ser aplicado devido ao dano
causado nas rochas encaixantes. Os fatores multiplicadores variam
de 0,8, para utilizao inadequada de
3. Estudo de CasoA camada de carvo minerada na Mina Barro Branco
possui espessura mdia de 3,47 m, com uma cobertura variando de 20 a
80 metros. O projeto de suporte de teto utilizado na mina baseiase
na frmula de Obert e Durvall (1967), na qual a camada acima do
carvo suspensa com parafusos ancorados no macio competente. Esse
mtodo no considera a qualidade do macio, apenas considera parmetros
geomtricos. As informaes utilizadas nesse trabalho foram reunidas
durante uma campanha de amostragem e de observaes realizada em
campo. O material para os ensaios foi obtido de sondagens, de
amostras do teto, utilizando explosivos, e de fragmentos de rocha
remanescentes de caimentos.
3.1 Geologia do teto imediatoForam identificadas apenas duas
unidades distintas em todo o permetro da mina: Arenito Laminado
e/ou Siltito Arenoso (Unidade 1) e Arenito Macio (Unidade 2). Foi
construdo um mapa de probabilidade de espessura da Unidade 1.
ComFigura 1 - Cenrios de teto imediato na Mina Barro Branco.
REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(2): 93-98, abr. jun. 2004
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Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao
de carvo
explosivos, a 1,0, para desmonte mecnico. Esse ajuste no
pertence metodologia do CMRR, pois parte do princpio de que o
desmonte realizado mecanicamente, sendo, ento, um fator que no
interfere na qualidade do macio rochoso e na estabilidade das
escavaes subterrneas. Entretanto as mineraes de carvo em subsolo de
Santa Catarina operam utilizando explosivos no processo de
fragmentao do carvo interferindo na estabilidade do macio em torno
da abertura. O critrio adotado para determinar o fator de ajuste
devido ao desmonte tem como base as caractersticas estruturais de
cada unidade. Quanto melhor for a qualidade estrutural do macio,
menor ser a interferncia do explosivo na qualidade do teto das
galerias. A Tabela 3 apresenta os valores finais de CMRR,
calculados para cada caso. Nos casos 5 e 6, o CMRR foi calculado
quando a espessura do arenito laminado mnima de 0,15 m (casos 5A e
6A) e quando o arenito laminado alcana a espessura-limite de 0,75
metros (casos 5B e 6B).
pilares, a situao torna-se crtica nos cruzamentos das galerias,
onde ocorrem as maiores incidncias de caimentos de teto. O mtodo
CMRR estima a distncia mxima permitida da diagonal traada entre
dois pontos opostos em uma interseo de galerias (IsG). Para efeitos
comparativos, realizaram-se medidas das larguras das diagonais no
cruzamento das galerias. A discrepncia entre os valores varia de
7,55 a 10,45 m, que representam a mdia das duas diagonais do
cruzamento. Ao considerar a mdia dos dados amostrados (8,89 m),
observa-se que a diagonal da interseo das galerias tambm elevada em
relao a diagonal estimada no projeto. Esse aumento do vo das
galerias nos cruzamentos devido s imperfeies do desmonte e presena
de descontinuidades que cortam a
camada de carvo, originando a formao de blocos em forma de
cunha, favorecendo o caimento de blocos dos pilares. A comparao
entre os valores reais da mina com os resultados sugeridos pelo
CMRR (IsG) est na Figura 2. De acordo com os dados praticados, para
o vo que alcanar ou ultrapassar 10,45 m de diagonal, o CMRR mnimo
requerido 55. Esse valor de CMRR s atingido nos casos 2 e 6A. O
caso 3 apresenta a situao mais crtica, apresentando o menor valor
e, conseqentemente, a menor distncia permitida da diagonal nas
intersees das galerias. A determinao do comprimento dos parafusos
outro parmetro a ser considerado em projetos de suporte de teto
para minas de carvo. Os valores de CMRR obtidos servem como guia
para seleo preliminar do comprimento de parafuso, sendo este
exclusivamente re-
Unidade 1: Arenito Laminado Coeso Rugosidade Moderada (Laminao)
Planar (Laminao) < 0,06 m (Laminao) > 9 m (Laminao) Fraca
(Falhas) Ondulada (Falhas) > 1,8 m (Falhas) > 9 m
(Falhas)
3.2 Clculo de reforo do teto imediatoA largura das galerias
fator importante para manuteno da estabilidade do macio rochoso que
forma o teto imediato. Em minas subterrneas de carvo, que operam
pelo mtodo cmara e
Espaamento Persistncia Resistncia da rocha Sensibilidade umidade
gua subterrnea
21 a 55 MPa Levemente sensvel Gotejamento intenso nas
falhasTabela 3 - Valores de CMRR para os casos analisados.
Tabela 2 - Caractersticas geolgicas e geomecnicas da Unidade
2.
Unidade 2: Arenito Macio Coeso Rugosidade Espaamento Persistncia
Resistncia da rocha Sensibilidade umidade gua subterrnea96
Condio Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5A Caso 5B Caso 6A Caso
6B
CMRR 52 81 30 41 42 36 71 56
Fraca (Falhas) Ondulada (Falhas) > 1,8 m (Falhas) > 9 m
(Falhas) 21 a 55 MPa No sensvel Gotejamento intenso nas falhas
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Anderson Lus Weiss et al.
lacionado com o mecanismo de sustentao por efeito viga em coluna
total. O mtodo aplicado incorpora os principais fatores em projetos
de suporte de teto: largura nos cruzamentos, espessura de cobertura
e a competncia estrutural do macio. Para visualizao dos resultados,
com base na equao (1), geraram-se grficos comparativos do
comprimento do parafuso (LB) em funo da espessura de cobertura (H)
e do vo na interseo das galerias para os dois casos extremos de
CMRR (Figura 3).
Is 100 CMRR L B = G log H (1) 13 100 O caso 2 do CMRR formado
apenas pela Unidade 2 (arenito macio), o qual apresentam boa
competncia estrutural e caracerizado pela ausncia de falhas no
teto. Nesse caso, o mtodo sugere parafusos com aproximadamente 0,08
m (vo da galeria menor e pouca espessura de cobertura), ou seja,
para essa condio o mtodo desconsidera o uso de parafusos de teto. O
caso 3 do CMRR rene a pior condio de qualidade do teto. Formado
apenas pela Unidade 1, a qualidade dessa categoria afetada pela
presena de falhas. Nesse caso, o mtodo sugere parafusos com at 1,20
m para situaes em que o vo no cruzamento de galerias seja de 10,5 m
e a para espessuras de cobertura superiores a 100 metros. A funo de
prover ao macio rochoso maior resistncia requer do parafuso uma
certa competncia de suportar as solicitaes exigidas. A metodologia
utilizada para clculo da capacidade de carga mnima sugerida por
unidade de comprimento de parafuso (PRSUPG) baseia-se na distribuio
de tenses, representada pela espessura de cobertura e pela
qualidade do macio rochoso que forma o teto. O PRSUPG requerido
aumenta medida que o valor do CMRR decresce e aumenta a
profundidade da camada (Figura 4 e equao 2). Quando o CMRR atinge
valores elevados (Casos 1, 2, 6A e 6B), a solicitao sobre os
parafusos mnima,
1, 5
Figura 2 - Largura da diagonal nos cruzamentos das galerias. As
linhas verticais representam as larguras 7,55m, 8,89m e 10,45m.
Figura 3 - Comprimento dos parafusos para a pior stuao em
diversas larguras de interseces (Caso 3).
Figura 4 - Capacidade de suporte requerida.
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Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao
de carvo
PRSUPG de 4,5 t/m. Os casos 4 e 5A apresentam uma variao
crescente do PRSUPG de acordo com a evoluo da profundidade da
camada. Para uma cobertura de 80 m, o PRSUPG sugerido
aproximadamente 9 t/m, para as duas situaes. A importncia da
capacidade de suporte do parafuso eleva-se significativamente nos
casos 3 e 5B, com valores de 14,5 t/m e 11,5 t/m, respectivamente.
PRSUPG = (5,7 log H) - 0,35 CMRR+ 6,5 (2) Se comparados com os
atuais parafusos da Mina Barro Branco, os quais so instalados
pontualmente com resina, essas duas situaes avalidas pelo CMRR
(Casos 3 e 5B) apresentam-se inadequadas. Testes de arrancamento
revelam que a ancoragem resiste em mdia a 12,7 t de carga. J a
capacidade de carga ou a resistncia trao do parafuso um pouco
inferior, chegando a 12 t para o ao utilizado na sua fabricao.
A classificao geomecnica do teto da Mina Barro Branco, por meio
do CMRR, possibilitou mapear as diferentes feies litolgicas, as
quais interferem na competncia do macio rochoso. As caractersticas
qualitativas e quantitativas das descontinuidades so os fatores
mais importantes na estimativa da qualidade desse macio. Dessa
forma, a aplicao do CMRR demonstrou a existncia de seis classes
para o teto da mina. Os valores do CMRR ajustado variam de 30 a 81,
mostrando a necessidade de cuidados diferenciados para a sustentao
do teto. Com base nos ndices obtidos, sugere-se uma nova proposta
para reforar o teto imediato, a fim de reduzir os riscos de
caimentos em condies adversas e evitar gastos excessivos com
suporte em situaes favorveis.
5. Referncias bibliogrficasANON. Principais depsitos minerais do
Brasil. Textos bsicos de geologia e recursos minerais de Santa
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C.V., JOURNEL, A.G. GSLIB: Geostatistical Software Library and
User's
4. ConclusesA meta de verificar se o padro de suporte de teto
atualmente empregado na Mina Barro Branco apresenta-se adequado s
distintas condies geolgicas e geomecnicas do macio rochoso que
compe o teto imediato da mina foi cumprida. A anlise determina que
o sistema atual de suporte de teto seja modificado.
Guide, 2. ed. New York: Oxford University Press, 1998. 369 p.
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Artigo recebido em 16/09/2003 e aprovado em 11/06/2004.
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57(2): 93-98, abr. jun. 2004