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André Zingano, Jair Koppe, João Felipe Costa

Federal Univ. of Rio Grande do Sul

Cleber Gomes, Newton Valentini, Carlos H. Schneider, Carlos A. Silveira

Carbonífera Criciúma Min. Co. 2

Introdução

Localização e histórico da mina

Objetivos

Metodologia

Projeto do escoramento de teto

Modelo numérico

Conclusões

Agradecimentos

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É sempre difícil prever o comportamento do teto imediato ao

suporte dimensionado na fase de projeto da mina;

Informações disponíveis:

Caracterização geomecânica de testemunhos de sondagem;

Resultados de intrumentação “in-situ” do teto do pilar e de

cruzamentos (se houverem galerias abertas)

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Existem duas formas de construção de um modelo numérico

Baseado somente nas propriedades do maciço e na geometria das

aberturas (conceitual);

baseado nas propriedades do maciço, na geometria das aberturas e nos

dados de monitoramento de teto em abertura experimental (calibração

e simulação).

Os dados de monitoramento de uma galeira experimental

constituem uma boa oportunidade de calibrar os modelos

numéricos

O monitoramento em galeria experimental foi feito na mina

do Leão II.

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O objetivo deste trabalho é apresentar o modelo numérico construído com base na geometria, nas características do maciço, no tipo de contenção e nas propriedades dos materiais utilizados, calibrado com base nos dados de monitoramento de um cruzamento de galerias aberto no mina do Leão II para teste de contenção do teto com tirantes.

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Caracterização do maciço rochoso;

Projeto do escoramento de teto;

Excavação e escoramento de galeria e cruzamento;

Monitoramento da deformação do teto;

Construção de modelo numério 3D;

Aplicação e calibração do modelo variando as características

dos materiais;

Comparação dos resultados do modelo numérico com os

dados de monitoramento “in situ”.

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Mina do Leão II Localizada a 90km a oeste de Porto Alegre

As reservas do Leão II pertencem à CRM (companhia de mineração do estado do Rio Grande do Sul) e foram pesquisada no período de 1977 a 1984;

A abertura da mina iniciou em 1980 e foi iterrompida 1984 devido a problemas financeiros;

O acesso ao subsolo foi feito por meio de dois planos inclinados até a camada CI e um poço de ventilação;

Foram traçados no total cerca de oito quilômetros de galerias, abertas com road headers e escoradas com arcos metálicos.

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Desde 1988 o projeto tem sido revisado e reavaliado;

Em 2004, a Carbonífera Criciúma S. A. fez um contrato com

a CRM arrendando a mina do Leão II;

Em 2005, a Carbonífera Criciúma S.A. contratou a GSE

Engenharia Ltda para avaliar o projeto da mina do Leão II,

que propunha a abertura de um painel experimental com

intuito de estudar a contenção do teto e o comportamento do

conjunto teto e pilar;

A primeira fase foi iniciada em Dezembro e concluída em

Junho de 2006, e compreendeu sondagem, caracterização do

maciço, traçagem da galeria e monitoramento do teto.

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Foram traçados 48,8 m de galerias e um cruzamento;

A galeria foi traçada com 5,00 m de largura e 2,5 m de altura;

Excavada com minerador contínuo Alpine AM-50 (road header)

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Bacia do Paraná de idade Permiana;

Oito camadas de carvão na área do Leão II, somente as

camadas CI e I2 são mineráveis;

Carvão Betuminosso de alto volátil com reservas de:

54,60 x 106 t na camada CI e 55,69 x 106 t na camada I2

O teto é constituído por um siltito carbonoso maciço de baixa

resistência, com slickensides, de espessura variando de 1,80

a 2,10 m até a camada superior chamada S3;

O siltito é sensível a umidade devido ao conteúdo argiloso;

As discontinuidades com baixa persistencia e pequeno

espaçamento, tornam o teto imediato compartimentado.

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Galeria

Teto Imediato

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Foram realizados três novos furos de sondagem com intuito de obter amostras adequadas do carvão e de suas encaixantes para a caracterização geomecânica e classificação do maciço.

As amostras foram descritas ao pé da sonda e ensaiadas em laboratório;

A descrição geotécnica incluiu detalhes como (RQD, espaçamento e tipo da discontinuidades, etc)

Os ensaios de laboratório incluiram: (i) resistência a compressão uniaxial e triaxial, (ii) densidade, (iii) velocidade sonica, e (iv) umidade natural

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Rocha Simbolo Densidade

(kg/m3)

Coesão

(Pa)

Fricção

(deg) Tensão (Pa)

Resistência

(Pa)

Módulo

Young (Pa)

Coef. de

Poisson

camada C cc 1900 2.07E+06 25 2.638E+06 6.500E+06 3.25E+09 0.30

camada A e B cab 1900 1.82E+06 37 1.815E+06 7.300E+06 2.30E+09 0.30

Siltito sil 2500 2.11E+06 30 2.433E+06 7.300E+06 3.50E+09 0.25

Siltito cinza gsil 2500 5.25E+06 20 7.354E+05 1.500E+06 1.90E+09 0.25

Arenito grosso cs 2500 2.60E+06 35 2.710E+06 1.000E+07 5.00E+09 0.25

Arenito ms 2500 4.33E+06 30 5.000E+06 1.500E+07 9.00E+09 0.18

O sistema de contenção deve prevenir o movimento relativo

entre os blocos, criando uma viga;

A área suportada por cada tirante é pequena para garantir a

integridade da viga;

Foi aplicado um empurrão (thrust) contra o teto enquanto

durante o tempo de pega da resina (Tadolini and Dolinar)

para aumentar (manter) o atrito entre os planos de

descontinuidades (slickensides);

Empurrão de 2 tons por 30 sec.

Desta maneira os movimentos verticais e deslocamento

relativos foram minimizados.

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Parâmetros utilizado no aplicativo ARBS para dimensionamento

CMRR 20

cobertura 200 m

SF 1.2

Comp parafuso 1.8 m – Diametro 15.9 mm (5/8 in.)

Largura galeria 5 m

Intersecção diagonal 7.1 m

ARBS saída Suggested Actual

Diagonal sugerida (m) 7.68 OK

Ancoragem do parafuso (m) 2.1 1.8

Capacidade do parafuso (t) 9.2 12

ARBS sigerido 18

ARBS atual para o projeto 23.6

Dif. entre sugerido e atual 5.60

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Dimensionamento dos tirantes:

Sete tirantes por linha

Espaçamento entre linhas 0,60 m

Densidae de 2,3 tirantes por metro quadrado

Aço CA 50 com diâmetro de 15,8 mm 1,95 m de comprimento

Furo com diâmetrode 24 mm e 1,8 m de profundidade

Três cartuchos de resina com 20 x 433 mm com dois tempos de

pega (para aplicação do empurrão)

Empurrão de 2 tons

Placa de aço quadrada com 15 cm de lafo e ¼” de espessura

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Foram realizados teste de arrancamento com tirantes de 1,8 m;

Os tirantes romperam na rosca com cargas entre 10,5 to 11 t;

Para projeto foi considerada uma resistência de 9 t;

Dividindo 9 t por 1.8 m, obteve-se uma resitência de coesão de

5 t/m or 5x104 N/m

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Foram instalados dois extensômetros de fio no centro do cruzamento, ancorados a 4,6 e 3,5 m de aprfundade;

O movimento do teto foi monitorado em relação a estes dois pontos

Deformações de 21 e 15 mm

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O objetivo de utilizar esta ferramenta computacional para estudar e simular o comportamento do teto;

A geometry do modelo seguiram as dimensões do cruzamento experimental, incluindo a posição e características dos tirantes e as dimensões da galeria e do cruzamento.

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Especificações

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Bh-Diam Diâmetro do furo 2.40E-02 m

GR_K Rigidez da resina 1.01E+07 N/m/m

GR_Coh Resistência da resina 5.00E+04 N/m

GR_Fric Ângulo de fric da resina 5.50E+01 degree

GR_Per Perímetro da resina 1.508E-01 m

Emod Módulo do aço 9.860E+10 Pa

Ytension Resist. Tração do aço 2.700E+05 N

X_Diam Diâmetro do parafuso 1.580E-02 m

Xcarea Área do parafuso 1.961E-04 M2

Pretension Pré-tensão 2.0E+5 N

Foi calibrado com a deformação do teto observada no

monitoramento

Foi feito variando as propriedades dos materiais até a coincidência

entre a convergência do modelo e a observada na galeria de teste;

O módulo de Young e a Coesão foram mudadas até obter-se a

deformação medida no teste de campo.

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Propriedade Rocha Valor

Young´s Modulus (Pa) Siltito 3.5e9 3.0e9 2.0e9

Young´s Modulus (Pa) Siltito cinza 1.9e9 1.5e9

Young´s Modulus (Pa) Carvão B 2.3e9 1.3e9

Cohesion (Pa) Siltito cinza 5.25e6 3.25e6

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O objetivo deste trabalho era de calibrar o modelo numérico com base nos dados experimentais;

As propriedades dos materiais rochosos foram ajustadas de modo que o modelo reproduzisse as deformações medidas;

Os resultados do modelo e as medições de campo ficaram muito próximas;

A caracterização geomecânica é fundamental;

O modelo tornou possível a simulação do comportamento do teto a diferentes sistemas de contenção, em várias geometrias e sequências de lavra;

Alguns aspectos como presença e magnitude das tensões “in situ” e o efeito do modelo conceitual (contínuo ou descontínuo) devem ser objeto de estudos adicionais.

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Fundação Luiz Englert

Carbonífera Criciúma S.A.

GSE Engenharia Ltda

Rede Carvão.

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Perguntas

andrezin@ufrgs.br

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