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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
Tabela 2 – Resultados de resistência das misturas de enchimento
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.
(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
ARAUJO, A. C.; VALADÃO, G. E. S.; GAMA, E. M., 2006, Consistencia, Fluidez y
Viscosidad de Pastas Minerales de Relaves de Hierro. Revista Información Tecnológica del
Chile, La Serena - Chile, v. 17, n. 2, p. 71-79.
FERREIRA, Z. P., 2007, Relatório Técnico Mina Bonito-I. Consultoria prestada a
empresa Carbonífera Catarinense Ltda. Lauro Müller - Santa Catarina.
HENDERSON, P., 2006, Deep and High Stress Mining - Paste Fill Melbourne, Australia.
HEEMANN, R.; COSTA. J. C. F., 2008, Emprego da tecnologia de backfilling na gestão
de resíduos sólidos da mineração de carvão. CETEM, RJ – Brasil, p. 57-74.
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