Curso de Mecânica de Rochas aplicado á mineração subterrânea

• Introdução

• Alterabilidade e grau de intemperismo

• Propriedades físicas e propriedades índices

• Propriedades de resistência e deformabilidade das rochas, descontinuidades e maciços rochosos

Rochas Magmáticas Rochas Sedimentares Rochas Metamórficas

Formadas a partir do resfriamento e consolidação do magma

Formadas por materiais derivados da decomposição e desintegração de qualquer rocha

Formadas pela ação da pressão, temperatura e soluções químicas em qualquer tipo de rocha

Maior resistência mecânica Menor resistência mecânica Resistência mecânica variada

Graníticas ácidas: Pegmatito, granito, aplito, granodiorito Graníticas Básicas: Gabro, diabásico, basalto maciço e vesicular Graníticas Alcalinas: Nefelina, sienito Tingraíto, fonólito

Origem Mecânica: Grosseiras: conglomerados, brechas Arenosas: arenitos, slititos Argilosas: argilas, argilitos folhelhos Origem Orgânica: Calcárias:calcários, dolomitos Silicosas: Siléx Ferruginosas: Depósitos ferruginosos Carbonosas: Turfas, carvões Origem Química calcárias: estalactites, estalagmites, mármores travertinos Ferruginosas: minérios de ferro Salinas: halita, carnalita Silicosas: sílex

Metamorfismo Normal: Transformações se fazem sem qualquer adição ou perda de novo material arenito/quartizito calcário/mármore Metamorfismo metassomático: acompanhado por mudança de composição química, evidenciando a formação de novos minerais não existentes na rocha mãe folhelhos/micaxistos

Principais diferenças macroscópicas: Presença de foliação Composição Textura-orientação dos grãos Foliadas: "não estratificado" Grãos muito finos: Folhelho Grãos finos: Filito Grãos Grossos: Xisto Estratificado: Grãos Grossos: Gnaisse Sem foliação Grãos Grossos: Metaconglomerado Grãos finos a grossos: Quartzito e mármore

IDENTIFICAÇÃO MACROSCÓPICA DO TIPO DE ROCHARochas Magmáticas:

Estrutura maciça, compacta.Dureza média e elevada

No campo, relativamente homogêneas na cor.Rochas Sedimentares:Estrutura em camadas

Dureza baixaVariações de cor no campo no sentido horizontal e vertical

Estruturas típicas: estratificação cruzada, marcas de ondas, de animais, etc. Fósseis.Rochas Metamórficas:

Estrutura orientada. Paralelismo dos minerais.Dureza média a elevada

Variações de cor no campo no sentido horizontal e vertical.Estruturas típicas: dobras

Reatividade Adesividade Durabilidade

Reação Álcali – agregado reação de alguns minerais com os álcalis livres do cimento provoca

Utilização de agregados a ligantes betuminosos, depende: Rugosidade da superfície do agregado. Reações químicas. Energia de interfase.

Resistência às ações do intemperismo.

PROPRIEDADES DAS ROCHAS:QUÍMICAS

Absorção Peso Específico aparente

Porosidade Permeabilidade

% w/peso seco: capacidade de absorção de líquido de uma rocha – capilaridade.

γ=(peso seco)/(peso seco-peso saturado)

η=(volume de vazios/volume total) x100

Propriedade relacionada com a resistência à percolação de “água”. Gás (azoto) ao ar óleo.

FÍSICAS

Condutibilidade e dilatação térmica

Dilatação por embebição

Dureza Forma

Reação Álcali – agregado reação de alguns minerais com os álcalis livres do cimento provoca

Utilização de agregados a ligantes betuminosos, depende: Rugosidade da superfície do agregado. Reações químicas. Energia de interfase.

Maior ou menor facilidade para ser serrada ou polida.

Forma dos fragmento obtida na britagem IPT M 49 ABNT 7225 cúbica, alongada, lamelar, quadrática.

Classe Índice de vazios Porosidade Termo

1 >0,43 >30 Muito alta

2 0,43 – 0,18 30 – 15 Alta

3 0,18 – 0,05 15 – 5 Média

4 0,05 – 0,01 5 – 1 Baixa

5 <0,01 <1 Muito baixa

IAEG

PROPRIEDADES GEOMECÂNICAS

Resistência Compressão Uniaxial

Resistência à tração Resistência ao Cisalhamento

Resistência ao Desgaste

Tensão de pico suportada por um corpo de prova

Tensão de pico suportada por um corpo de prova: Diametral e direta.

Tensão cisalhante medida em função da tensão normal aplicada.

Por abrasão: rocha é submetida à abrasão de abrasivos especificados – Amsler Por atrito mútuo: rocha é submetida a uma carga abrasiva de esferas de ferro fundido ou aço a uma velocidade e revoluções definidas Los Angeles.

Classe Resistência (MPA) Termo

1 1,5 – 15 Muito alta

2 15 – 50 Alta

3 50 – 120 Média

4 120 – 230 Baixa

5 >230 Muito baixa

Resistência ao Choque Resistência a britagem e esmagamento

Módulo de elasticidade ou de deformabilidade

Coeficiente de Poisson

Resistência oferecida pela rocha ao impacto de um peso que cai de certa altura – Treton 20 fragmentos de rocha ¾¨ e 5/8¨ dez impactos de peso=15.883kg.

Mostra o comportamento da rocha quanto a fragmentação que é função de fissuras, estratificação, xistosidade, estado de alteração, etc. Usa-se britadores diversos.

Tangente da curva σ x ε. Propriedade que procura demonstrar a capacidade de um corpo recompor deformações sofridas.

Relação entre a deformação radial e longitudinal de um corpo de prova.

Rocha Frágil Rocha Dúctil Rocha elasto-plástica

Curva σ x ε mostra a Rc no limite da ruptura.

Curva σ x ε o limite elástico longe da Rc.

Curva σ x ε mostra um rastejo ou fluência.

Classe Módulo de deformabilidade (MPA)

Termo

1 1,5 – 15 Fraca

2 15 – 50 Moderadamente forte

3 50 – 120 Forte

4 120 – 230 Muito forte

5 >230 Extremamente forte

Grau de Alteração Grau de Fraturamento

Sã, alterada, muito alterada. Rocha Características

Subjetivo Muito Consistente -quebra com dificuldade ao martelo-fragmento com bordas cortantes resistentes a lâmina de aço-superfície dificilmente riscável

Consistente -quebra com relativa facilidade ao martelo-fragmento com bordas cortantes que podem ser abatidas pelo corte com lâmina de aço-riscável por lâmina

Quebradiça -quebra facilmente ao martelo-bordas dos fragmentos podem ser quebradas pela pressão dos dedos-a lâmina de aço provoca um sulco acentuado na superfície do fragmento

Friável -esfarela ao golpe do martelo-desagrega sob pressão dos dedos.

Rocha Módulo de deformabilidade (MPA)

Ocasionalmente fraturada <1

pouco 1 – 5

Mediamente 6 – 10

Muito 11 – 20

extremamente >20

Em fragmentos Torrões ou pedaços de diversos tamanhos oticamente dispostos.

SOLOSSolos é o material resultante da decomposição e desintegração seja por

grau de alteração e intemperismo (ação de agentes atmosféricos) de uma rocha. Pode ser considerado sob o aspecto natural sendo tratado pela geologia, pedologia e geomorfologia. Para efeitos de Geologia de

engenharia TERZAGHI e PECK (1962) consideram o solo um agregado natural de grãos minerais que podem ser separados por meios suaves

tais como agitação em água.

Tipo de Rocha Composição Mineral Tipo de solo Composição

Basalto Plagioclásio piroxênios argiloso Argila

quartizito quartzo arenoso Quartzo

Filitos Micas (sericita) argiloso argila

granitos Quartzo, feldspato, mica Areno-argiloso (micáceo) Quartzo e argila

calcário calcita argilosos argila

SOLO RESIDUALProdutos da rocha intemperizada permanecem no local em que se deu a transformação.

Exemplos:

Saprólito: tipo de rocha alterada em que os feldspatos e ferro-magnesianos estão todos alterados. Matacões: Caso especial de resistência de blocos de rocha ao avanço do intemperismo ocorrendo geralmente em rochas maciças pouco fraturadas de composição granítica. Perfil de alteração solo residual em área de gnaisses.

SOLOS TRANSPORTADOS Solos de Aluvião Solos Orgânicos Solos Coluviais Solos Eólicos

Materiais transportados e arrastados pelas correntes de água. Formas: terraços e planícies de inundação. Exemplos: depósitos de argilas cerâmica, cascalho. Péssimos para fundação de barragens

Composto de argila orgânica mole. Ocorrência: bacias, depressões continentais, baixada marginal de rios e litorais. Exemplo: Baixada santista-mangue.

Depósitos de encostas montanhosas cujo o agente transportador é a gravidade. São inconsolidados, permeáveis, instáveis. Talus.

Dunas de areia formadas no litoral.

Tamanho do grão

Composição

Cascalho Pedrisco Fragmento de rocha

Minerais primários: quartzo, calcedônia, as vezes, feldspato no pedrisco.

Areia Minerais primários: quartzo

principalmente, as vezes, feldspatos Fragmentos de rochas de grãos finos Agregados herdados: partículas de

um mineral primário alterado e um mineral resultante de alteração: micas.

Agregados de quartzo e argila: grão de QZ com argila aderida

Agregados de argila: minerais de argila aglutinados por um cimento, (ferro).

Outros resinatos: magnetita, monasita, zircão, etc.

Silte Minerais primários Material ferruginoso e calcário Partículas individuais de certos

minerais de argila ex: vermiculita.

Argila Minerais de argila Óxidos e hidróxidos de ferro e

alumínio Minerais primários Calcários Matéria orgânica

Porosidade % Índice de vazios

Densidade relativa ou grau de compactação

n = Volume de vazios

Volume

e = Vv/V D = (emax-enat) emax-emin

Classe Índice de vazios

Porosidade

Termo

1 > 1 > 50 Muito alta

2 1,0 – 0,80 50 – 45 Alta

3 0,80 – 0,55 45 – 35 Média

4 0,55 – 0,43 35 – 30 Baixa

5 < 0,43 < 30 Muito baixa

Classe Densidade Relativa %

Termo

1 < 20 Muito fofa

2 20 – 33 Fofa

3 33 – 66 Medianamente

4 66 – 90 Denso

5 90 - 100 Muito denso

Grau de compactação Termo

0 – 1/3 fofa

1/3 – 2/3 Medianamente

2/3 - 1 Compacta

Plasticidade Umidade Consistência

Mistura de sólidos contidos no solo com água possui três estados: líquido, plástico, semi sólido. Índice de plasticidade é a diferença entre o limite de liquidez e o índice de plasticidade

h = [(Ph-Os)/Os] x 100

Ph = peso úmidoPs = peso secoh = umidade

natural

IC = [LL-H]/IPIC = índice de

consistência

LL = limite de liquidez

IP = índice de plasticidade

h = teor de umidade

Classe Índice de plasticidade

Termo

1 < 1 Não plástico

2 1 – 7 Levemente

3 7 – 17 Moderadamente

4 17 – 35 Alto

5 > 35 extremamente

Classe Índice de plasticidade

Termo

1 0 – 0,25 Naturalmente seco

2 0,25 – 0,50 Úmido

3 0,50 – 0,80 Muito úmido

4 0,80 – 0,95 Altamente

5 0,95 – 1,00 Saturado

Termo Índice de consistência

Muito mole <0

Mole 0 – 0,5

Média 0,5 – 0,75

Rija 0,75 – 1

Dura Maior que 1

Termo Indicação de campo Resistência ao cisalhamento aproximada KN/m2

Muito mole Exsuda entre os dedos < 20

Mole Facilmente moldada nos dedos 20 – 40

Firme Moldada por forte pressão 40 – 75

Rijo Não pode ser moldada facilmente 75 – 150

Muito rijo Frágil ou muito resistente > 150

IMPORTÂNCIA DA ESTRUTURA DAS ROCHAS NO COMPORTAMENTO MECÂNICO.

ESTRUTURA DE ROCHAS QUASE-ISOTRÓPICASA maior parte das rochas são formadas por cristais que são as partículas

que formam grãos do material. A forma, dimensão, orientação, morfologia, distribuição dos grãos e a repartição das diferentes espécies

de minerais é chamada de textura.Na escala dos grãos, os calcários são homogêneos e os granitos,

heterogêneos.Nas rochas com estrutura quase isotrópica o principal fator é a

distribuição dos grãos no espaço. Uma rocha será mais heterogênea quanto mais for a dimensão dos grãos.

As superfícies de descontinuidades e os espaços vazios podem ser:- mais ou menos esféricos: poros dos calcários.

- mais ou menos planos: fissuras As superfícies de descontinuidades mais importantes são os limites de grãos, juntas de grãos, fissuras ou microfissuras fechados que podem

ser inter-intra ou granulares assim como inter ou intra cristalinas.

O comportamento pós ruptura é definido por Fairhust como classe I e classe II.

Classe I - A ruptura é controlável através da deformação axial do corpo de prova. Devemos fornecer energia ao corpo de prova para obtermos a progressão da ruptura. Iguala m > 0. Rochas do tipo arenitos porosos, calcários porosos, xistos, rochas brandas em geral.E/m >1Classe II - A ruptura é incontrolável por processos normais. Temos que retirar energia do corpo de prova para uma propagação controlável das fissuras. O controle da ruptura se faz pela deformação lateral (transversal do corpo de prova). m > 0. E/m < 1, para rochas tais como,carvão com alta porcentagem de vitranio, granitos, calcários poucos porosos, quartzitos, basaltos, etc. Rochas de textura homogênea com grãos finos.

A energia de superfície específica das rochas γF, ou seja, energia ao nível macroscópico processada na formação de fissuras é maior nos poli

cristais que nos monocristais. Nas rochas esta energia é 0,1 J/m2 a 1 J/m2 nos mono cristais de 1 J/m2 a 103 J/m2 e nos ou seja 1000 vezes

mais.A energia de ruptura depende da natureza da rocha e dos defeitos da

estrutura. As características destes defeitos são: NATUREZA: microfissuras, poros, grãos possuem propriedades

mecânicas diferentes dos outros grãos em volta.GEOMETRIA: forma e dimensão de microfissuras, poros e grãos.

DISTRIBUIÇÃO NO ESPAÇO.ANISOTROPIA DE ORIENTAÇÃOGEOMETRIA DE REPARTIÇÃO.

Podemos passar uma rocha de comportamento II ao tipo I aumentando os “defeitos” da estrutura.

1.INFLUÊNCIA DA DIMENSÃO DOS GRÃOS, DIMENSÃO DOS POROS, INTENSIDADE DA MICRO FRATURAÇÃO E MINERALOGIA NA FORMA DAS CURVAS TENSÃO DEFORMAÇÃO.

Figura 3 – Variação do diâmetro dos poros

Figuras 4 granitos com granulometria diferente e Figura 5 arenitos com porosidade diferente

Figura 6 mostra a influência das fissuras.