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CRITÉRIOS GEOTÉCNICOS PARA DETERMINAÇÃO E OPERACIONALIZAÇÃO DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS PARA MINA DE CARVÃO COM CAMADAS INCLINADAS ESTUDO DE CASO MINA DE EL HATILLO - COLÔMBIA C. S. SOUZA 1 ; M. R. SOUSA 2 ; A. F. URIBE 3 ; L. L. POHL 4 1 MSc. em Engenharia Civil Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Gerência de Planejamento de Longo Prazo do Carvão GELCF - DIPF VALE S.A., Minas Gerais, Brasil. 2 MSc. em Engenharia de Minas Planejamento de Lavra. Gerência de Planejamento de Longo Prazo do Carvão GELCF - DIPF VALE S.A., Minas Gerais, Brasil. 3 Licenciatura em Engenharia Civil. Superintendência de Geologia e Geotecnia de Curto Prazo SUGEC VALE S.A., Barranquilha, Colômbia. 4 MSc. em Engenharia Civil Geologia de Engenharia. Gerência de Geotecnia e Hidrogeologia GEPDS DIFS - VALE S.A., Minas Gerais, Brasil. 1 RESUMO A mina de El Hatillo localizada no Departamento de Cesar Colômbia compartilha algumas semelhanças com as minas de carvão das rochosas Norte-Americanas, uma vez que são sequências sedimentares que foram submetidas a esforços tectônicos. Como resultado, estas bacias sedimentares foram submetidas a grandes dobramentos e falhas, e assim como esperado, o acamamento ("bedding") constitui a principal descontinuidade deste depósito, sendo determinante para todos os aspectos da engenharia de taludes (nas escalas de taludes de bancadas, inter-rampas e global). Este trabalho preocupou-se em apresentar os critérios desenvolvidos de geotecnia e planejamento de lavra para escavação da cava e elaboração dos planos operacionais da mina de carvão de El Hatillo, que por sua vez, apresenta camadas inclinadas em sua formação geológica. Cavas de carvão a céu aberto com formação geológica desta natureza, geralmente tem seus taludes classificados como Talude de Lapa (“Footwall”), Talude de Capa (“Highwall”) e Talude de fechamento (“Endwall)”, sendo estes, referenciados conforme o posicionamento das camadas em relação aos taludes da cava. Visando otimizar a operacionalização da cava, procurou-se elaborar diversas cartas geotécnicas, onde as principais variáveis que controlam os fenômenos de instabilidade de taludes (altura, largura de banco, ângulo de face, inter-rampa e global) em minas a céu aberto foram correlacionadas. Estas cartas foram definidas com base em um número incomum de premissas e restrições técnicas, fortemente influenciadas pela estrutura geológica presente, i.e., direção e mergulho variável e paralelismo e espessura das camadas. Mesmo com todas as restrições geotécnicas e geológicas impostas foi possível elaborar planos e cavas operacionais econômicas e estáveis. 2 INTRODUÇÃO Em 2003, a VALE S.A. começou alguns estudos e pesquisas na área de carvão na Mongólia - Ásia e, rapidamente ampliou seus horizontes quando iniciou os programas de prospecção e estudos técnicos em Moatize, Moçambique África. Desde então, a VALE veio estudando novas oportunidades com foco na ampliação do negócio carvão dentro do seu portifólio de produtos.

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CRITÉRIOS GEOTÉCNICOS PARA DETERMINAÇÃO E OPERACIONALIZAÇÃO

DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS PARA MINA DE CARVÃO COM CAMADAS

INCLINADAS – ESTUDO DE CASO – MINA DE EL HATILLO - COLÔMBIA

C. S. SOUZA1; M. R. SOUSA

2; A. F. URIBE

3; L. L. POHL

4

1 MSc. em Engenharia Civil – Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Gerência de Planejamento de Longo

Prazo do Carvão – GELCF - DIPF – VALE S.A., Minas Gerais, Brasil. 2 MSc. em Engenharia de Minas – Planejamento de Lavra. Gerência de Planejamento de Longo Prazo do Carvão –

GELCF - DIPF – VALE S.A., Minas Gerais, Brasil. 3 Licenciatura em Engenharia Civil. Superintendência de Geologia e Geotecnia de Curto Prazo – SUGEC – VALE

S.A., Barranquilha, Colômbia. 4 MSc. em Engenharia Civil – Geologia de Engenharia. Gerência de Geotecnia e Hidrogeologia – GEPDS – DIFS -

VALE S.A., Minas Gerais, Brasil.

1 RESUMO

A mina de El Hatillo localizada no Departamento de Cesar – Colômbia compartilha algumas

semelhanças com as minas de carvão das rochosas Norte-Americanas, uma vez que são

sequências sedimentares que foram submetidas a esforços tectônicos. Como resultado, estas

bacias sedimentares foram submetidas a grandes dobramentos e falhas, e assim como esperado, o

acamamento ("bedding") constitui a principal descontinuidade deste depósito, sendo

determinante para todos os aspectos da engenharia de taludes (nas escalas de taludes de

bancadas, inter-rampas e global).

Este trabalho preocupou-se em apresentar os critérios desenvolvidos de geotecnia e planejamento

de lavra para escavação da cava e elaboração dos planos operacionais da mina de carvão de El

Hatillo, que por sua vez, apresenta camadas inclinadas em sua formação geológica.

Cavas de carvão a céu aberto com formação geológica desta natureza, geralmente tem seus

taludes classificados como Talude de Lapa (“Footwall”), Talude de Capa (“Highwall”) e Talude

de fechamento (“Endwall)”, sendo estes, referenciados conforme o posicionamento das camadas

em relação aos taludes da cava.

Visando otimizar a operacionalização da cava, procurou-se elaborar diversas cartas geotécnicas,

onde as principais variáveis que controlam os fenômenos de instabilidade de taludes (altura,

largura de banco, ângulo de face, inter-rampa e global) em minas a céu aberto foram

correlacionadas. Estas cartas foram definidas com base em um número incomum de premissas e

restrições técnicas, fortemente influenciadas pela estrutura geológica presente, i.e., direção e

mergulho variável e paralelismo e espessura das camadas.

Mesmo com todas as restrições geotécnicas e geológicas impostas foi possível elaborar planos e

cavas operacionais econômicas e estáveis.

2 INTRODUÇÃO

Em 2003, a VALE S.A. começou alguns estudos e pesquisas na área de carvão na Mongólia -

Ásia e, rapidamente ampliou seus horizontes quando iniciou os programas de prospecção e

estudos técnicos em Moatize, Moçambique – África. Desde então, a VALE veio estudando

novas oportunidades com foco na ampliação do negócio carvão dentro do seu portifólio de

produtos.

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Recentemente, a VALE adquiriu uma mina de carvão à nordeste de Bogotá, capital da Colômbia,

que era de propriedade da Empresa Mineradora ARGOS. A Mina em questão, chama-se Mina de

Carvão de El Hatillo (EHCM), dentro de um limite de concessão de 9.638 hectares e se encontra

localizada no departamento de Cesar, jurisdição do município de El Passo, pertencente à cidade

de La Loma. A cidade de La Loma está localizada à aproximadamente 1.100 km de Bogotá e a

40 km à noroeste da Venezuela, conforme a Figura 2.1 apresenta.

Figura 2.1: Localização geográfica da Mina de El Hatillo – Colômbia.

O corredor de El Hatillo está localizado dentro da reserva de carvão denominada Cesar, uma

grande bacia que contém o carvão térmico pertencente à formação terciária Los Cuevos. A

estratigrafia desta bacia é bastante complexa, tendo sido interrompida por uma série de falhas e

dobras sinclinais e anticlinais com direção sudeste-nordeste.

Em função da complexa formação geológica e estrutural destes tipos de maciços, a definição de

um modelo geomecânico consistente não é uma tarefa fácil, quando comparado à maciços menos

brandos e mais homogêneos. Para além do modelo geomecânico, outra etapa que requer também

um elevado grau de refinamento técnico é a elaboração dos modelos geotécnicos de cálculo com

vistas à definição da geometria dos Taludes da cava à escala de bancada, inter-rampa e global.

A classificação geomecânica de maciços estratificados brandos pode ser realizada da mesma

forma que para maciços homogêneos mais íntegros, como por exemplo, através da aplicação das

diretrizes técnicas estabelecidas por Bieniawski (1989) [1], as quais definem o RMR (Rock Mass

Rating).

O Talude de Lapa tem seu comportamento geotécnico governado por mecanismos de

instabilidade de controle estrutural definido majoritariamente pelo acamamento (planar, bi-

planar, “buckling” e “ploughing”). A ocorrência destes fenômenos está associada à presença de

resistência anisotrópica paralela ao acamamento e à resistência oblíqua. Devido ao “flexural slip

folding” é comum a ocorrência de superfícies de acamamentos polidas (“polished” e

“slickensided”) de mais baixa resistência, principalmente nas camadas de carvão, tanto nos

mantos como nas intercalações ou “partings” (camadas delgadas de carvão), onde o cisalhamento

e as deformações se concentram durante o processo de dobramento. Desta forma, o

dimensionamento do Talude de Lapa deve focar-se nestes mecanismos, tanto para os estudos

geotécnicos como para a operacionalização/planejamento de mina, reconhecendo a importância

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do acamamento, da estratigrafia (sequência das camadas litológicas) e da estrutura (posição nos

flancos do dobramento).

O dimensionamento do Talude de Capa, não menos importante, deve também considerar a

estruturação do maciço, mesmo o mergulho dos acamamentos sendo inverso ao mergulho do

Talude. Sendo assim, é aceitável adotar um modelo de cálculo de resistência homogênea,

definida pelas propriedades resistentes do maciço rochoso, dominado neste caso, por

intercalações de Arenitos, Siltitos, Argilitos e Camadas de Carvão.

3 ASPECTOS REGIONAIS, GEOLÓGICOS E HIDROGEOLÓGICOS

3.1 Geologia regional

Nesta região geológica existe um número considerável de falhas dos tipos normal e reversa com

orientação sudeste-nordeste. Estas falhas estão associadas a deslocamentos laterais que podem

ser interpretados como uma transformação ou acomodamento dos sistemas sobrepostos.

Três grandes estruturas de dobramentos regionais podem ser idenficadas, sendo os sinclinais Del

Descanso, La Loma e El Boquerón, estando estas, separadas por falhas reversas de direção NE-

SW. A falha de El Hatillo separa os sinclinais de Del Descanso e La Loma e a falha El Tigre

separa os sinclinais de La Loma e El Boquerón.

Estas grandes dobras se caracterizam como as estruturas de interesse, sendo o sinclinal de La

Loma a dobra que se situa dentro dos limites da área de estudo. O topo deste sinclinal é que é

considerado o ponto de interesse para a exploração de carvão.

Os mantos de carvão são interrompidos por uma forte imersão de falhas com direção sudoeste-

nordeste com mergulho para leste. As falhas transversais que cortam os mantos são as falhas de

El Manco ao norte e a de Santa Cruz mais a sul do corredor. Este seccionamento divide o El

Hatillo em três grandes blocos, chamados bloco Norte, bloco Central e bloco Sul. Um

deslocamento vertical de aproximadamente 200m está associado à Falha El Manco e 125m à

Falha de Santa Cruz. Existe ainda uma pequena falha quase vertical, chamada de Falha Norte.

A região do entorno do depósito é caracterizada por uma extensa planície pouco acidentada, com

elevações compreendidas entre 35 e 55m acima do nível do mar. O clima é subtropical úmido,

com precipitação média anual de 1.500 a 2.000mm, ocorrendo principalmente em dois grandes

períodos chuvosos no final da primavera e do outono.

3.2 Modelo estratigráfico

O modelo estratigráfico pode simplificadamente ser separado em duas Formações Geológicas

(Formação Cuesta e Formação Cuervos). A Formação Cuesta formada por solos sedimentares

localiza-se sobre a Formação Cuervos que engloba os mantos de carvão e as intercalações de

Arenitos, Siltitos e Argilitos.

Durante a campanha de prospecção a VALE identificou 69 mantos de carvão em toda a

propriedade, e deu-lhes nomes numéricos que variam de 80 (no ponto mais baixo) a 310 (no

ponto mais alto). Destes 69 mantos, 19 são considerados pela VALE como economicamente

explorável, por questões de qualidade e geometria (> 0,5m de espessura).

Os mantos de carvão foram ainda, identificados e definidos durante a fase de operação,

realçando as qualidades estruturais, poder calorífico, teor de sulfato, grau de consistência,

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fraturamento e alteração, dentre outras características de menor importância geotécnica. Os

mantos de grande interesse tem sido representados pela seguinte notação (140, 150, 160, 170,

180, 190, 200, 210, 230, 240, 250, 260, 270, 280).

A Figura 3.1 ilustra três seções tranversais para os três blocos supracitados.

Figura 3.1: Seções transversais – Corredor El Hatillo (J.T.Boyd, 2009)[2].

3.3 Hidrogeologia

A sequência estratigráfica regional apresenta rochas de permeabilidade moderada à impermeável

no domínio da Formação Cuervos e permeabilidade média a boa para a Formação Cuesta, e em

alguns colúvios e terraços aluvionares.

O extrato confinado da camada base de carvão recebe uma recarga moderada derivada

diretamente dos afluentes e córregos em locais onde afloram as camadas superficiais e

indiretamente por recargas do Calenturistas, sendo este o aquífero aluvial do rio.

4 PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA

Para classificação do maciço rochoso adotou-se a aplicação dos métodos RMR (Bieniawski,

1989) [1] e GSI (Hoek & Brown, 1997 [4]) e, para avaliação do comportamento do maciço

rochoso, recorreu-se à dois critérios de ruptura – Critério de Hoek & Brown (HB) (1997) e

Critério de Mohr-Coulomb (MC), para caracterização de resistência. Para calibração do modelo

de HB e para o ajuste da envoltória de MC a partir da definição dos parâmetros de resistência

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que a definem, foram analisados diversos dados de uma mapeamento geomecânico de superfície

e alguns resultados de ensaios laboratoriais do tipo UCS.

4.1 Mapeamento geomecânico

A definição da escala de mapeamento foi definida com base na litologia mais evidente e a partir

da adoção de determinados critérios estruturais. O número e a extensão das “janelas” de

mapeamento relacionam-se diretamente com o grau de heterogeneidade e estruturação do maciço

rochoso e, ainda com o grau de precisão e detalhe que se pretende obter nos resultados. Em

respeito à estas premissas foram definidas 221 janelas de mapeamento com dimensões de

20x16m, distribuídas no Talude de Capa, Talude de Fechamento e no Talude de Abertura do Pit,

com um levantamento global de 3.400 estruturas.

A estrutura do maciço rochoso que define as intercalações (“interburden”) consiste em

acamamentos cruzados compostos massivamente por arenitos sobrepostos por finas camadas de

siltitos e argilitos medianamente alterados.

A Figura 4.1 apresenta os histogramas derivados do tratamento dos dados do mapeamento de

campo para todos os acamamentos observados, e a Figura 4.2 apresenta da mesma forma, para as

descontinuidades, com vistas à elaboração da classificação geomecânica do maciço. Para

proceder a leitura dos histogramas, direciona-se às correlações expressas na Tabela 4.1, onde se

compara a metodologia adotada em campo com os pesos atribuídos pelo RMR (1989).

Tabela 4.1: Correlação entre a metodologia adotada e a classificação preconizada pelo RMR

(1989).

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Figura 4.1: Características geomecânicas dos acamamentos – histogramas.

Figura 4.2: Características geomecânicas das descontinuidades – histogramas.

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A partir dos testemunhos das sondagens executadas, quantificou-se o RQD conforme o

histograma da Figura 4.3 ilustra.

Figura 4.3: RQD para a mina de El Hatillo – histograma.

A Figura 4.3 evidencia de forma bastante objetiva que o maciço rochoso da mina de El Hatillo

possui qualidade mediana quando se avalia apenas o RQD, uma vez que 60% dos valores

observados estão compreendidos entre 50 e 80.

4.2 Programa de ensaios laboratoriais

Os ensaios laboratoriais foram conduzidos com o propósito de se determinar os parâmetros de

resistência da rocha intacta, referente ao materiais que compõem as intercalações (“interburden”)

e, das descontinuidades que caracterizam o maciço rochoso.

A caracterização da resistência da rocha intacta destas intercalações, i.e., Arenitos, Siltitos e

Argilitos, deu-se através do programa de ensaios sumarizado e detalhado nas Tabelas 4.2 e 4.3.

Tabela 4.2: Resultados médios dos ensaios de compressão uniaxial.

Material Domínio UCS

(MPa)

Categoria de

resistência

Arenitos

Siltitos

Argilitos

Intercalações

(“interburden”)

- 32 ensaios -

28.9

17.2

10.8

Médio

Médio

Fraco

Mantos de carvão* Carvão 8 Muito Fraco *Estimado

Tabela 4.3: Resultados médios dos ensaios de caracterização física.

Material Domínio

(kN/m3)

Arenitos

Siltitos

Argilitos

Intercalações

- 32 ensaios -

24,8

24,7

23,7

Mantos de

carvão* Carvão 13,0

*Estimado

0

5

10

15

20

25

30

35

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100

Rela

tive F

requency (%

)

RQD intervals

RQD - EHCM

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4.2.1 Validação dos resultados para estimativa dos valores de cálculo – Resistência rocha

intacta

Os resultados dos ensaios de UCS foram realizados em amostras coletadas em uma campanha de

sondagem realizada pela empresa EMCARBON durante o ano de 2002. Independente do

domínio litológico, os resultados apresentaram uma grande dispersão. A Figura 4.4 mostra esta

dispersão e uma tentativa “prática” aplicada com a finalidade de se obter valores aceitáveis para

prosseguimento dos estudos.

Figure 4.4: Resultados UCS para os Arenitos, Siltitos e Argilitos.

A Figura 4.4 evidencia a elevada dispersão dos resultados para ambos os litotipos caracterizados,

o que implica em um elevado desvio padrão. As amostras claramente exibem resistências à

compressão uniaxial que definem materiais de baixa a elevada resistência (5,0 - >80 MPa),

resultados estes, que não condizem com o comportamento exibido em campo por estes materiais

quando submetidos à qualquer ação antrópica. Entretanto, a maior parte dos resultados estão

alocados em um range de 12 a 25 MPa (média resistência), o que parece estar mais de acordo

com a realidade da mina.

A partir dos resultados, procurou-se definir um intervalo aceitável para estimativa dos valores de

resistência para estes materiais. Com base no valor médio do peso específico foi possível

determinar estes valores dentro deste intervalo pré-estabelecido. A Tabela 4.4 apresenta os

valores definidos bem como, o valor ponderado em função da frequência de ocorrência de cada

material no domínio das intercalações.

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Tabela 4.4: Resultados UCS de cálculo.

Domínio Mínimo

(MPa)

Máximo

(MPa)

UCS Calc.

(MPa)

UCS pond

(MPa)

Arenitos 2.5 101.0 25.0

17 Siltitos 3.0 48.0 17.0

Argilitos 2.5 20.0 11.0

Carvão 8

4.2.2 Resistência das descontinuidades

A resistência exibida pelos materiais e contatos segundo a direção dos acamamentos foi

caracterizada segundo o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, dado pelos seguintes parâmetros e

valores – c’ = 0 kPa e ’ = 20º. Estes valores foram obtidos através de ensaios de cisalhamento

direto executados segundo a direção dos planos de estratigrafia.

5 MODELO GEOMECÂNICO, PARAMETRIZAÇÃO E MODELOS DE CÁLCULO

5.1 RMR e GSI

Em 1973 foi desenvolvido uma classificação geomecânica proposta por Bieniawski designada

por RMR (Rock Mass Rating). Esta classificação foi definida a partir de dados e relatos de

autoria do próprio autor. O método foi fundamentalmente desenvolvido para quantificar a

resistência de maciços rochosos para dimensionamento e execução de obras subterrâneas,

incluíndo túneis civis. No entanto, rapidamente, surgiram diversas aplicações da metodologia em

engenharia de taludes. Anos depois, o autor publicou uma revisão do método (versão 1989) onde

não se alterou os pilares que sustentam o método mas sim, a forma como ambos são

considerados e quantificados.

A confiança atribuída na caracterização das propriedades de resistência e deformacionais dos

maciços rochosos deve atingir um nível considerável de confiabilidade para a elaboração de

projetos de taludes, fundações, minas e escavações subterrâneas. Hoek & Brown (1980) [5],

propôs uma metodologia para estimativa das propriedades de resistência dos maciços rochosos,

baseada em uma avaliação discretizada dos blocos e das condições das superfícies de contato

entre estes. Este método foi modificado ao longo dos anos, afim de se atender as necessidades

cada vez mais ambiciosas inerentes à obras mais arrojadas, que até então, não tinham sido

consideradas quando da definição da metodologia inicial. A aplicação do método à maciços

rochosos de baixa qualidade mecânica exigiu também novas mudanças (Hoek, Wood e Shah,

1992 [6]) e, finalmente, obteve-se uma nova classificação chamada “Geological Strengh Index –

GSI” (Hoek, Kaiser e Bawden, 1995 [3] e Hoek & Brown, 1997 [4]).

O maciço da mina de El Hatillo por ser um maciço de maior heterogeneidade estratigráfica,

exigiu uma abordagem inicial setorizada para sua classificação geomecânica. Após uma

avaliação dos resultados, decidiu-se pela homogeneização dos mesmos, em função da frequência

regular de ocorrência dos litotipos existentes. A Tabela 5.1 apresenta o valor médio estimado do

RMR e a classe a que o maciço se enquadra, bem como todos os pesos atribuídos para sua

determinação. Apresenta-se ainda, na mesma Tabela, o valor do GSI obtido a partir de uma

correlação empírica com o RMR.

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Tabela 5.1: RMR e GSI.

5.2 PARAMETRIZAÇÃO

Para o dimensionamento dos Taludes da Cava de Carvão de El Hatillo, foram adotadas as

seguintes etapas de estudo, após a caracterização geológico-geomecânica da área da cava:

i. Definição de setores;

ii. Definição dos mecanismos de instabilidade críticos (nas escalas de bancada, inter-rampa

e global);

iii. Definição dos parâmetros geotécnicos de resistência dos maciços, materiais e estruturas

(descontinuidades e acamamentos);

iv. Definição dos métodos de análise para os mecanismos definidos;

v. Definição dos modelos de cálculo para os mecanismos e setores pré-definidos;

vi. Compatibilizar os resultados das escalas de bancada, inter-rampa e global.

As técnicas de observação do desempenho de taludes existentes e retroanálises foram aplicáveis

para ajudar na definição dos mecanismos, bem como para validar os parâmetros e os modelos de

cálculo.

5.2.1 Parâmetros geotécnicos para análises

Em respeito às premissas citadas no item anterior, procurou-se definir modelos de cálculo para as

diferentes escalas citadas e para os diferentes Taludes da cava (Talude de Lapa e Talude de

Capa), pois o comportamento de ambas em nada se assemelha. A Tabela 5.2 apresenta todos os

parâmetros de resistência do maciço rochoso adotados nestes modelos.

Tabela 5.2: Parâmetros de resistência segundo os critérios de Hoek & Brown e Morh-Coulomb

adotados nas análises.

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5.3 MODELOS DE CÁLCULO

Os métodos utilizados para análise da estabilidade de taludes se desenvolveram, inicialmente,

através do Método de Equilíbrio Limite, que tem por hipótese a existência de uma linha de

escorregamento de forma conhecida (geralmente circular em maciços terrosos e rochosos mais

brandos e homogêneos e planar ou bi-planar em maciços mais compactos e fraturados) que

delimita a porção instável do maciço, obedecendo a um critério de ruptura (geralmente Mohr-

Coulomb ou Hoek & Brown) ao longo desta linha.

Tais métodos tradicionais, aplicados na geotecnia, tem dado resultados satisfatórios em

problemas simplificados. Já os métodos numéricos podem representar sistemas mais complexos

como, por exemplo, heterogeneidade de materiais, três dimensões, anisotropia, etc.

Neste trabalho, a metodologia utilizada foi a baseada na Teoria de Equilíbrio Limite, a partir da

utilização do programa de cálculo Slide, versão 5.0, da Rocscience. O Slide é um programa de

formulação bidimensional de análise de estabilidade de taludes, onde a avaliação do fator de

segurança para rupturas circulares e não-circulares se dá a partir do emprego da teoria do

Equilíbrio Limite. Foi adotado o Método de Morgensten-Price para a análise das superfícies de

escorregamento. Este modelo considera na definição do seu diagrama de esforços, a força normal

e tangencial e a resistência interfatias dada por uma função definida pela tensão normal e pela

resistência ao corte.

Por forma a descrever o comportamento geral do solo, um dos aspectos fundamentais e

necessários, relaciona-se à capacidade do modelo constitutivo ser expresso em termos de tensões

efetivas, tendo este pressuposto levado à natural adoção do conhecido critério de ruptura de

Mohr-Coulomb ou de Hoek & Brown para a formulação de modelos de cálculo mais rotineiros.

Os modelos foram elaborados conforme o talude e a escala consideradas. Para o Talude de Lapa,

os modelos em todos as escalas foram simulados a partir da adoção de um modelo anisotrópico

que considera a resistência do maciço rochoso na direção oblíqua ao acamamento e a resistência

das descontinuidades na direção paralela ao acamamento.

Para a resistência oblíqua adotou-se os parâmetros segundo o critério de Mohr-Coulomb que

melhor se ajustou à envoltória de Hoek & Brown. Já para a resistência paralela ao acamamento,

adotou-se os resultados obtidos a partir dos ensaios de cisalhamento direto (ver item 4.2.2).

A Figura 5.1 apresenta os modelos de cálculo empregues para o dimensionamento do Talude de

Lapa e a Figura 5.2 apresenta a descrição do modelo anisotrópico adotado.

A Figura 5.3, por sua vez, apresenta os modelos de cálculo referentes ao Talude de Capa.

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a)

b)

Figura 5.1: Modelos de cálculo empregues para o dimensionamento do Talude de Lapa: a)

Bancada e b) Global.

a) Camada muito perturbada b) Camada medianamente perturbada

Figura 5.2: Modelos anisotrópicos adotados nas análises de estabilidade por equilíbrio limite.

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a)

b)

c)

Figura 5.3: Modelos de cálculo empregues para o dimensionamento do Talude de Capa: a)

Bancada, b) Inter-rampa e c) Global.

Para o dimensionamento dos bancos e da geometria global do Talude de Lapa, algumas

premissas tiveram que ser atendidas, quais sejam:

i. O ângulo de face do banco deve ser paralelo ao acamamento, o que significa, que sempre

que possível, deve-se cortar os mantos de carvão ou o plano dominante de estratigrafia;

ii. A calibração do modelo de cálculo para o dimensionamento dos bancos deu-se a partir da

observação de campo (retroanálises), onde se identificou que bancos com alturas

superiores à 20m inclinados à 50º apresentavam problemas de instabilidade;

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iii. Estes fenômenos de instabilidade na sua maioria traduzem um mecanismo de ruptura do

tipo bi-planar, onde se inicia segundo o plano de estratigrafia e rompe obliquamente na

base do banco. Desta forma, os modelos de cálculo à escala de bancada foram definidos

por forma a possibilitar a ocorrência deste tipo de mecanismo;

iv. O desenvolvimento longitudinal de um determinado banco deve sempre que possível

acompanhar a direção das camadas (i.e. strike), evitando desta forma, alternar ou cruzar a

estratigrafia ao longo da escavação deste talude. Caso não seja possível, mudanças

ortogonais devem ser projetadas.

Com base nestas premissas e na setorização geotécnica preliminarmente definida com base na

profundidade total da cava e na variação do azimute e mergulho das camadas, realizou-se uma

série de análises geotécnicas em diferentes modelos de cálculo com o intuito de se conceber

cartas geotécnicas para o dimensionamento de ambas os Taludes à escala de bancada, inter-

rampa e global. Estes resultados podem ser observados nas Figuras 5.4, 5.5, 5.6 e 5.7.

Figure 5.4: Cartas geotécnicas para dimensionamento do Talude de Lapa à escala de bancada.

Figure 5.5: Carta geotécnica para dimensionamento do Talude de Lapa à escala global.

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a)

b) Figure 5.6: Cartas geotécnicas para dimensionamento do Talude de Capa à escala de bancada e

inter-rampa.

As geometrias geotecnicamente estáveis que resultam nos ângulos inter-rampas obtidos a partir

da Figura 5.6a e apresentados na Figura 5.6b podem ser visualizadas na Tabela 5.3.

Tabela 5.3: Geometrias resultantes inter-rampas.

Figure 5.7: Carta geotécnica para dimensionamento do Talude de Capa à escala global.

A partir destas cartas procedeu-se a elaboração da cava final matemática e operacionalizada,

respeitando todas condicionantes geológicas-geotécnicas e operacionais.

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6 OTIMIZAÇÃO DE CAVA FINAL DA MINA DE EL HATILLO

6.1 Elaboração da cava matemática

Para a otimização de uma cava é necessário partir de um modelo geológico discretizado em

blocos atribuíndo uma valoração aos mesmos, o que significa que se procura aplicar a cada bloco

todos os custos referentes as diversas etapas de produção. Por fim, considera-se também toda a

receita que cada bloco de minério (carvão) é capaz de gerar.

A Figura 6.1 apresenta um fluxo bastante simplificado que rotineiramente é empregado para a

otimização de cava, mas que deve obrigatoriamente, apresentar algumas modificações em função

de cada caso em estudo, sendo neste, a cava de El Hatillo.

Figura 6.1: Fluxo para geração da cava matemática.

Dentro do fluxograma apresentado na Figura 6.1 para geração da cava matemática, o “Passo

Ângulo de Talude” de certa forma, incorpora todos os conceitos e premissas geotécnicas que

foram discutidas e detalhadas neste documento. Do ponto de vista geotécnico, isso significa dizer

que é necessário projetar a geometria dos taludes desde a definição dos bancos, passando pelo

inter-rampa e obtendo como resultado final uma inclinação global para os taludes que atenda os

fatores de segurança regulamentares (1.2 a 1.3 neste caso).

Visando resolver o problema altamente complexo e de múltiplas entradas apresentado na mesma

figura, o planejamento de longo prazo utiliza softwares que tem como base o algorítimo de

Leachs-Grossman que tem a capacidade de considerar todos estes “imputs”, objetivando

identificar todos aqueles blocos que se apresentam economicamente viáveis. Este algorítimo

encontra a solução matemática que maximiza o Valor Presente da Reserva.

Após a elaboração da cava é feita a análise de sensibilidade da cava ótima gerada. Esta análise

tem por objetivo identificar o que uma variação nos parâmetros de entrada utilizados pode

acarretar na solução final do problema e o quão robusto o mesmo está com relação ao seu retorno

financeiro e confiabilidade dos trabalhos efetuados. A Figura 6.2 apresenta o resultado de uma

análise de sensibilidade com variação do preço de mercado.

a)

b)

REM – Relação Estéril-Minério (carvão) [m3/t]; NPV – Valor presente atualizado;

Figura 6.2: Metodologia para escolha da cava ótima: a) NPV e REM vs Fases e b) REM e

Carvão vs Fases.

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6.2 Operacionalização da cava

A operacionalização de uma cava final pode ser definida como a elaboração de um projeto

geométrico mas que seja exequível do ponto de vista construtivo e operacional. Para tal devem

ser estabelecidos alguns passos técnicos:

i. Respeitar não apenas o ângulo global dos Taludes anteriormente definido para a geração

da cava matemática, mas também o detalhamento geométrico da mesma, banco a banco;

ii. Para o caso em estudo (EHCM), além das premissas geotécnicas de carácter puramente

geométrico, foi necessário também, respeitar o modelo estratigráfico exibido pela

geologia regional. A Figura 6.3 apresenta uma perspectiva da estratigrafia dos mantos de

carvão através de seções transversais geradas ao longo do corredor de El Hatillo;

iii. Para o estudo de rampas, avaliou-se a posição inicial e final das rampas de acesso da

cava, levando-se em conta a posição da britagem, massas de minério e estéril presas pelas

rampas e o número de “switch-backs”.

FIGURA 6.3: Perspectiva que ilustra a variação estratigráfica do modelo geológico da região.

Um fato importante que deve ser mencionado, refere-se ao pequeno desvio entre as massas

obtidas pela cava matemática e operacionalizada, uma vez que a setorização geotécnica

inicialmente definida, foi adotada igualmente para as duas etapas analisadas. A principal

preocupação neste caso foi operacionalizar a cava matemática sem grandes modificações nos

quantitativos de estéril e carvão para a fase escolhida. No entanto, este processo originou uma

perda de 7% de minério e um acréscimo de 1% de estéril, resultando em uma relação estéril-

minério (REM) de aproximadamente 9,5 (m3/ton).

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Figura 6.4: Vista 3D da cava operacionalizada.

O resultado obtido a partir da consideração de todas as premissas técnicas multidisciplinares é a

cava operacionazada que se apresenta na Figura 6.4. Pode-se dizer, que a particularidade que

mais interferiu e dificultou a operacionalização desta cava foi a complexa estratigrafia da região,

onde os mantos de carvão e as intercalações de arenitos, siltitos e argilitos (“interburden”)

apresentam uma grande varição de azimute e mergulho, devido aos processos de dobramento e

falhamento ocorridos no passado. Essas restrições de operacionalização fizeram com que os

bancos que compõem apenas o Talude de Lapa tivessem geometria variável em altura e ângulo

de face em função da variação do mergulho das camadas em profundidade, conforme a seção

transversal para um dos setores geotécnicos definidos, ilustrada na Figura 6.5 demonstra.

A setorização geotécnica adotada encontra-se apresentada na Figura 6.6.

Figura 6.5: Seções transversais representativas dos setores geotécnicos empregues para a

operacionalização da cava.

Talude de Lapa

Talude de Capa

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Figura 6.6: Setorização geotécnica definida com base na altura total da cava e na variação

estratigráfica.

A Figura 6.6 apresenta dois setores designados de ZF1 E ZF2 que correspondem a duas zonas de

falha que cortam transversalmente a cava, denominadas de Falha El Manco (ZF1) e Falha de

Santa Cruz (ZF2). Se observa ainda, que a setorização teve em conta a variação da profundidade

da cava como o perfil longitudinal ilustra.

7 CONCLUSÃO

Com o trabalho que agora se apresenta, procurou-se analisar a influência que alguns fatores

geotécnicos – parâmetros de resistência do maciço rochoso, comportamento mecânico dos

planos de anisotropia, modelo constitutivo empregue para traduzir o comportamento mecânico

do maciço, complexidade estrutural do modelo estratigráfico, geometrias variáveis que atendam

a operacionalização - podem ter no sucesso da elaboração de cavas matemáticas e

operacionalizadas para lavra de carvão, em particular para a Mina de Carvão de El Hatillo

(EHCM).

Os estudos desenvolvidos no âmbito deste trabalho envolveram uma breve revisão da

bibliografia da especialidade, a realização de inúmeras análises paramétricas simulando o

comportamento do maciço quando solicitado às escavações, analisando o comportamento

exibido, apoiando-se nos resultados de observação de campo e na caracterização geotécnica

existente de maciços com características físicas e mecânicas muito semelhantes as do maciço

circundante.

Relativamente aos estudos paramétricos efetuados com o objetivo de se elaborar cartas

geotécnicas que possam auxiliar a engenharia de curto e longo prazo na condução e

operacionalização da mina, respectivamente, algumas conclusões merecem ser destacadas, quais

sejam:

i. O modelo estratigráfico regional condicionou a elaboração dos modelos de cálculo, bem

como os resultados obtidos;

ii. O mesmo modelo, influenciou ainda, na geometria global do Talude de Lapa, uma vez

que os bancos que a compõem foram projetados com geometrias variáveis;

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iii. A adoção de modelos anisotrópicos para a simulação do comportamento mecânico do

maciço rochoso quando escavado, permitiu obter resultados numéricos bastante

compatíveis com o que se tem observado em campo;

iv. O Talude de Capa apresentou resultados bastante coerentes com o observado em campo,

mesmo adotando um modelo homogêneo isotrópico.

O presente trabalho, mesmo tendo que atender todas as restrições geológicas, geotécnicas e

operacionais que uma mina de carvão apresenta, teve como resultado final um cenário técnico-

econômico dentro do que se previa e pretendia.

8 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos colaboradores que ajudaram na elaboração dos estudos que

suportaram este trabalho, nas pessoas de Jullian Davi Diaz, Pedro Borges e a toda equipe da

Gerência de Longo Prazo Carvão – VALE/Brasil e a equipe de carvão VALE/Colômbia.

9 BIBLIOGRAFIA

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Hoek, E. Rock Enginnering. Course Notes.