Disposição de Rejeitos Em Cava Exaurida de Mineração

8/17/2019 Disposição de Rejeitos Em Cava Exaurida de Mineração

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CONDICIONANTES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICOS DE PROJETO DEDISPOSIÇÃO DE REJEITOS EM CAVA EXAURIDA DE MINERAÇÃO

R. C. Gomes

Departamento de Engenharia Civil / Universidade Federal de Ouro PretoW. L. de O. Filho Departamento de Engenharia Civil / Universidade Federal de Ouro Preto

L. G. de Araújo Departamento de Engenharia Civil / Universidade Federal de Ouro Preto

S. G. S. Ribeiro Departamento de Engenharia Civil / Universidade Federal de Ouro Preto

C. de L. Nogueira Departamento de Engenharia Civil / Universidade Federal de Ouro Preto

RESUMO: Nos estudos para a implantação de um sistema de deposição de rejeitos sob a forma deuma pilha de grandes dimensões, em antiga lavra exaurida de mineração da Samarco Mineração,localizada na sua unidade industrial de Germano no município de Mariana /MG, várias questõesassociadas ao complexo geológico da cava e às propriedades geotécnicas dos rejeitos tiveram

profundo impacto sobre a concepção e o desenvolvimento do projeto final. O trabalho discute estescondicionantes, de natureza geológica e geotécnica, em termos das análises relativas à capacidadede carga do material carreado para o fundo da cava, às análises de estabilidade global doempilhamento e às condições de drenabilidade dos rejeitos, visando a otimização dos sistemas dedrenagem interna da pilha.

1. INTRODUÇÃO

No município de Mariana /MG, a SamarcoMineração S.A. possui a sua unidade de lavra e

beneficiamento do minério de ferro (unidadede Germano), com reservas estimadas em maisde 5 bilhões de toneladas (Mina de Alegria).

No processo de beneficiamento, o minério bruto é submetido a etapas sucessivas de peneiramento, britagem, moagem, deslamagem

e flotação em colunas, obtendo-se o ferroconcentrado e eliminando-se as impurezas, principalmente a sílica. O rejeito de flotação élançado diretamente no reservatório daBarragem do Germano, gerando uma descargaanual da ordem de 6,5 x 106 toneladas.

Ao longo de um período de 18 anos, aexploração do itabirito a partir das jazidas daMina do Germano (hoje exauridas), resultouem uma cava de grandes dimensões (1,3km decomprimento, 800m de largura e 220m de

altura), delimitada por taludes de itabirito efilito, atualmente em franco processo deerosão. Este processo resultou em intenso

carreamento de material e assoreamento dofundo da cava.

Por outro lado, o sistema de alimentação da planta, representado por um sistema decorreias transportadoras de longa distância,

possui um trecho que acompanha quase todo ocontorno leste da base da cava, por umaextensão aproximada de 1,5 km e cujos custosde relocação imediata são proibitivos.

Estas feições interferiram diretamente na

concepção de compatibilizar a disposição dosrejeitos atuais (das novas jazidas da Mina deAlegria) e a recuperação da área degradada, noentorno imediato da planta de beneficiamentode Germano, por meio do empilhamento dosrejeitos na cava (Gomes et al., 1999a).

A geometria e o arranjo geral da pilha foramcondicionados, em larga escala, pelascondições de instabilidade dos taludes da cava,drenabilidade dos rejeitos e pelascaracterísticas do material de assoreamento do

fundo da cava. Estes condicionantes geológico- geotécnicos do projeto são discutidos emdetalhe nos itens subsequentes.


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2. ANÁLISES DA ESTABILIDADE DOSTALUDES DA CAVA

A cava do Germano constitui o arcabouçofinal resultante das atividades de exploração dominério de ferro por um período ininterrupto

de quase 20 anos e os estudos relativos àestabilidade dos seus taludes remontam àsfases iniciais da exploração. O complexolitológico da área é caracterizado por umaseqüência de itabiritos e filitos, comintercalações locais de quartzito e coberturasde solo laterítico / canga junto ao topo dostaludes.

Em termos gerais, os itabiritos apresentam boas condições de estabilidade, mesmo quandoalterados mas, sendo friáveis, tornam-se

extremamente susceptíveis à erosão. A foliaçãoé sempre muito bem desenvolvida, commergulhos tipicamente entre 30º e 40º paraleste (Sérgio Brito Consultoria Ltda ,1997).

Os filitos representam a feição litológicacrítica da Cava do Germano, pois associam seuestado de elevada alteração a um processo

contínuo e muito rápido de desagregaçãosuperficial, acompanhados de escorregamentosgeneralizados embora limitados em

profundidade, particularmente nos taludes emcondições desfavoráveis da foliação (30º a 40º

para o sul).

As ocorrências de quartzito são de caráter local e não interferem na estabilidade global domaciço; tipicamente, apresentam-se bastantedecompostos como intercalações nos filitos e ,eventualmente, como placas em lentesadjacentes aos filitos. As coberturas de laterita/ canga apresentam-se praticamente inalteradase sem quaisquer problemas de instabilização.

O mapeamento geológico – geotécnico emdetalhe dos taludes da Cava do Germanomostra a interação entre estas litologias e as

feições geotécnicas mais relevantes no maciço(erosões e escorregamentos de pequeno porte),compartimentados em zonas designadas comosetores norte, oeste, sudoeste e sul,respectivamente (Pimenta de ÁvilaConsultoria, 1999)

Figura 1. Mapeamento Geológico da Cava do Germano (Pimenta de Ávila Consultoria Ltda)


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Ainda nas fases iniciais da exploração,adotou-se a sistemática de não se lavrar totalmente o corpo de itabirito existente nas

partes inferiores do talude, de tal forma queestas feições remanescentes pudessem atuar como contrafortes para suporte, proteção e

estabilização dos filitos superiores eadjacentes. Tais medidas mostraram-se

bastante oportunas, não se registrando, durantetoda a vida útil do empreendimento, quaisquer escorregamentos que comprometessem acontinuidade/segurança das operações de lavrana Cava do Germano.

Com o término da exploração, porém, ostaludes ficaram expostos às intempéries por um

período de quase cinco anos, sucedendo-se,então, processos de intensa desagregação

superficial dos filitos e erosão dos itabiritos.Como conseqüências diretas destes processos,ocorreram a desestruturação completa dosistema de drenagem superficial, osolapamento das bancadas, a formação deravinas nos contrafortes de itabirito e odesconfinamento dos filitos, que induziramescorregamentos generalizados ao longo dostaludes da cava.

Estas feições geotécnicas são maisrelevantes ao longo do setor oeste da cava(figura 1), que tem uma altura máxima de230m e com a foliação do itabirito totalmentedesfavorável em relação à declividade daencosta, com direção paralela à face do taludee mergulho para leste, ou seja, para dentro dacava. Os contrafortes de itabirito foramseveramente erodidos nesta área, formando-seravinas bastante profundas (da ordem de 30mde profundidade), através das quais grandesvolumes dos filitos das zonas superiores do

talude foram carreados para dentro da cava.O solapamento dos contrafortes de iatabiritofoi tão intenso nesta área que propiciou ummovimento de massa de grandes proporçõesnas zonas dos filitos superiores, feição única deocorrência no maciço da cava. O deslocamentoé caracterizado por uma fenda que percorre

praticamente toda a crista do talude e por umabatimento vertical de cerca de 5,0m. A massade material potencialmente instável, noentanto, é mascarada ao longo do talude pela

ação dos processos erosivos, pela desagregaçãosuperficial dos filitos, pela variação do seuestado de alteração em profundidade e pelas

deformações lentas e progressivas (fluência)que os mesmos apresentam, pela açãocrescente de desconfinamento.

Estes aspectos enfatizam que os filitos dacava estão submetidos a dois tipos dealteração: desagregação superficial e perda

gradual de resistência em profundidade, pelosefeitos de deformações lentas que ocorrem aolongo de uma superfície potencial de ruptura(qualquer superfície de descontinuidade pré-existente), mobilizando, então resistênciasresiduais ao longo da mesma e induzindo ummecanismo local de ruptura progressiva.

Problemas similares, porém, de menor amplitude, ocorrem ao longo do setor norte dotalude, que apresenta altura máxima de 85m,com escorregamentos de pequeno a grande

porte subordinados aos processos erosivos. Ossetores sul e sudoeste, embora apresentandofeições erosivas e escorregamentos de pequenoa médio porte, constituem zonas menossusceptíveis a processos de instabilização. Estecomportamento é devido principalmente àscaracterísticas de resistência e à orientação dafoliação dos itabiritos em relação a declividadedos taludes.

As principais interferências das condiçõesgeotécnicas dos taludes da cava em relação ao

projeto estão associadas aos efeitos de umaeventual ruptura sobre a estabilidade da pilha.A estabilidade global do maciço écondicionada basicamente pelocomportamento geotécnico dos contrafortes deitabirito e, uma vez que, em muitas seções, aerosão destruiu por completo estas estruturas,torna-se viável a mobilização dedeslocamentos de grande porte dos filitos,então desconfinados, fora do contexto genérico

de escorregamentos pouco profundos, ditados pelos mecanismos de desagregação superficialdos filitos. Além dos efeitos doescorregamento em si, há que se considerar ainda a natural interferência desta deposiçãonas características de drenabilidade da pilha naregião afetada pelo escorregamento.

Secundariamente, as análises daestabilidade dos taludes são especialmenteimportantes para a definição mais adequada dalocação dos tubos tipo “flauta”, estrutura

proposta para atuar como sistema extravassor da drenagem externa da superfície delançamento dos rejeitos.


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3. ANÁLISES DO COMPORTAMENTODO MATERIAL DO FUNDO DA CAVA

Ao final do processo de lavra, foi mantidoum dique de proteção, estendendo-se do setor noroeste até o setor norte dos taludes, visando

preservar a fundação de itabirito não lavradono fundo da escavação. Entretanto, a intensaação erosiva sobre os taludes e o carreamentode grandes volumes de material, através dasravinas de grande porte formadas localmentenos contrafortes de itabirito, acabaram por destruí-lo completamente e a própria estrutura

passou, assim, a contribuir adicionalmente parao processo de assoreamento da cava. Todo estematerial acumulou-se de forma aleatória nofundo da cava, formando um espesso depósito

de cerca de 10,0m de espessura, com SPTvariando de 4 a 10, em média.

Em termos gerais, o comportamento domaterial está intimamente associado à litologiade sua origem. Assim, os materiais erodidosdos contrafortes de itabirito foram acumuladosnas vizinhanças imediatas do talude, formandoum maciço de elevadas características deresistência e drenabilidade. Em contrapartida,os materiais provenientes da desagregação dosfilitos foram carreados a distâncias maiores nofundo da cava, formando um maciço saturado,de baixas características de permeabilidade eresistência.

Dois aspectos principais estão relacionadosàs interferências diretas do material do fundoda cava sobre a concepção da pilha de rejeitos.Em primeiro lugar, a análise deve abordar a

própria estabilidade da pilha, considerando os potenciais problemas de baixa resistência dosfilitos, a partir da avaliação do comportamento

insatisfatório destes materiais mesmo in situ.Estas análises tornam-se particularmenteimportantes em função da impossibilidade derelocação do trecho de correias transportadorasno entorno imediato da cava, nas fases iniciaisdo processo de empilhamento dos rejeitos.Desta forma, a exigência de maiores fatores desegurança do projeto implica a adoção de umtalude temporário para a pilha inicial,sensivelmente mais abatido que o previsto paraa pilha final, já sem a presença do circuito de

alimentação da planta de beneficiamento doGermano.

Em segundo lugar, em função das virtuaisdiferenças entre as características de drenagemdos itabiritos e dos filitos, há que se considerar a necessidade de controle das subpressões nofundo da cava, em presença de um depósito dematerial misto, muito menos permeável que os

itabiritos da fundação. No projeto, este aspectoé considerado mediante a implantação de umtapete drenante junto à fundação.

Com o objetivo de se avaliar concretamenteas condições hidrogeológicas da fundação dacava, foram instalados dois piezômetros duplos

pneumáticos, com células localizadas a 5,0mabaixo e 5,0m acima do topo da camada deitabirito da fundação (inseridas no itabirito e namassa de material assoreado, respectivamente).A partir do monitoramento sistemático destes

instrumentos, particularmente ao longo das próximas estações chuvosas, proceder-se-á auma reavaliação e posterior redimensionamento da geometria e locação dotapete drenante.

Ambos os aspectos – estabilidade da pilha edrenagem do fundo da cava – condicionam asanálises relativas às hipóteses de remoção ounão do material assoreado. A proposta deremoção deste material, ao menos na área deinfluência direta da fundação da pilha, temcomo fatores críticos, além dos custoselevados, as inúmeras incertezas relativas aos

procedimentos operacionais de uma escavaçãodeste porte.

Admitida a hipótese de não remoção domaterial, ou seja, uma concepção da pilhaexecutada sobre este material, uma alternativaviável seria o reforço da fundação, utilizando,

por exemplo, interfaces de geossintéticos. Aefetivação ou não de alternativas deste tipo vai

depender de uma série de análises deestabilidade e de tensões–deformações a seremimplementadas para o sistema pilha – fundação, a partir de parâmetros de resistênciae de compressibilidade obtidos em ensaios delaboratório, reproduzindo com fidelidade ascondições de campo (Znidarcic, 1998).

Os resultados preliminares dasinvestigações de campo evidenciam que, naregião central dos sedimentos depositados ecrítica em termos da locação da pilha, não

ocorre uma partição clara e/ou sistemática dodepósito em horizontes de itabirito e filito, masa formação de uma matriz complexa destes


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materiais, com características geotécnicasrelativamente invariáveis, tanto em extensãocomo em profundidade.

As figuras 2 e 3 mostram alguns resultadosde ensaios de laboratório, expressos em termosdas envoltórias de resistência obtidas para o

material do fundo da cava, para os casos deamostras indeformadas e reconstituídas,coletadas a uma profundidade de 0,5m.

Adicionalmente, foram feitos ensaios pressiométricos no depósito de materialassoreado e séries de ensaios triaxiais emamostras indeformadas do material acumulado,coletadas em profundidade por amostradorestipo “shelby”.

As análises dos resultados estão em curso, bem como propostas de projetos alternativos

considerando as hipóteses de remoção ou nãodo material assoreado. Adicionalmente,visando eliminar a acumulação adicional dematerial na estação chuvosa de 1999/2000,reativou-se a concepção do dique de proteção,mediante a construção de um novo dique,limitado, porém, à zona mais crítica da cava e

posicionado ao longo da base do setor oeste dotalude.

4. ANÁLISES DA DRENABILIDADE DOSREJEITOS

O conhecimento objetivo das característicasreais de drenabilidade dos rejeitos da planta de

beneficiamento de Germano, no domínio deuma pilha de grandes dimensões e no contextode uma dado sistema de disposição, constitui o

parâmetro-índice do projeto (Znidarcic, 1998).As observações de campo, obtidas a partir

do lançamento dos rejeitos em área-teste deempilhamento, mostram um comportamentorapidamente drenante dos rejeitos poucos diasapós disposição. Esta abordagem, entretanto, éessencialmente qualitativa e restrita aoshorizontes mais superficiais de um depósito de

poucos metros de espessura e não pode ser extrapolada ao domínio total de uma pilha quedeve atingir uma altura final de 160m.

Uma verificação adicional mostrou que, sejadevido às variações de gênese e granulometria

dos minérios brutos, provenientes das jazidasdiferentes que alimentam o complexo deGermano, seja devido às próprias variações do

processo de beneficiamento, o depósito derejeitos apresenta uma estratificação emhorizontes com variações de cor, espessura ecompacidades bem diferenciadas.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

p' (kPa)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

q

( K p a )

sig3=100kPa

sig3=200kPa

sig3=400kPa

sig3=800kPa

Figura 2. Envoltórias de resistência do materialassoreado (amostra indeformada).

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

p' (kPa)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

q ( k P a )

sig3=100 kPa

sig3=200 kPa

sig3=400 kPa

sig4=800 kPa

Figura 3. Envoltórias de resistência do materialassoreado (amostra reconstituída)

Numa abordagem quantitativa, procedeu-se preliminarmente a um conjunto de ensaiostriaxiais em amostras do rejeito, em condiçõesdrenadas e não-drenadas, sob diferentesestados de compacidade (fofo, medianamentecompacto e compacto). As figuras 4 e 5mostram resultados típicos destes ensaios,

realizados para amostras com densidade in situ(índice de vazios de 0,86) e coletadas a 0,5m


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de profundidade e a 50m do ponto delançamento, na área-teste de empilhamento.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

p'(kPa)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

q ( K p a )

sig3=100kPa

sig3=200kPa

sig3=400kPa

sig3=800kPa

Figura 4. Ensaios CD em amostra dos rejeitos

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

p'(kPa)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

q ( K p a )

sig3=100kPa

sig3=200kPa

sig3=400kPa

sig4=800kPa

Figura 5. Ensaios CIU em amostra dos rejeitos

Em geral, as metodologias convencionaisaplicadas a problemas de fluxo em sistemas

particulados consideram a hipótese de meiosaturado. Na situação da pilha real, entretanto,com grandes espessuras dos rejeitos lançados,as condições de drenagem são governadas

caracteristicamente por condições de fluxo emmeios não saturados.Para a implementação destas análises, torna-

se necessário estabelecer as chamadas curvascaracterísticas do fluxo nestas condições,expressas em termos das relações sucção xgrau de saturação e sucção x permeabilidaderelativa (Machado Jr. & Oliveira Filho, 1999).Estas relações podem ser estabelecidas a partir de ensaios de laboratório ou de campo.

No caso dos rejeitos de Germano, adotou-se

o ensaio de controle do fluxo em dois ciclos,utilizando uma bomba de fluxo. No primeirociclo, procede-se à retirada contínua da água de

um corpo de prova previamente saturado (ciclode drenagem ou de secagem) e, num segundociclo, executa-se o processo inverso, ou seja,injeta-se continuamente água a um corpo de

prova inicialmente seco (ciclo de saturação oude umidecimento). A correlação entre os

parâmetros de retenção de água obtidos nosdois ciclos do ensaio permite obter a relaçãosucção x grau de saturação para o material. A

partir desta relação, pode ser estabelecida acurva sucção x permeabilidade relativa domaterial, utilizando-se o modelo analítico

proposto por Burdine, 1953 e desenvolvido por Van Genuchten, 1980.

As figuras 6 e 7 mostram resultados típicosdestes ensaios, obtidos com amostras típicas derejeitos de minério de ferro da Mina de

Alegria, coletadas a 0,5m de profundidade(identificada por T3A, com 3% de areia média,63% de areia fina, 26% de silte e 8% de argila,de acordo com a norma ABNT NBR6502/95).

T3A (sucção-saturação)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Saturação

S u c ç ã o

( k P a )

Valor es Medidos M étodo Analítico

Figura 6. Curva sucção x grau de saturação

Com base nestas curvas características dos

rejeitos, análises de percolação mais realistas podem ser implementadas, simulando fasesdistintas da execução da pilha, variações dascondições de lançamento dos rejeitos e chuvasde diversas magnitudes. As análises estãosendo implementadas através do programaSEEP/W, considerando fluxo em regime

permanente.Os resultados obtidos consistem em valores

das poropressões, positivas ou negativas,induzidas nas zonas saturadas e não saturadas

da pilha, que servirão de base para as análisesde estabilidade subsequentes. Por outro lado, ainterpretação das condições de fluxo para as


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diferentes hipóteses de projeto permiteminferir condições ótimas de lançamento edisposição dos rejeitos na pilha.

T3A (Permeabilidade Relativa / Molhagem)

1,E-13

1,E-11

1,E-09

1,E-07

1,E-05

1,E-03

1,E-01

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0

Poropressão (kPa)

P e r m e a b i l i d a d e R e l a t i v a ( m / s )

Figura7. Curva sucção-permeabilidaderelativa.

5. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOSFINAIS

O projeto da disposição dos rejeitos de

minério de ferro da unidade industrial deGermano (Samarco Mineração S. A.), situadano município de Mariana/MG, está baseado noempilhamento destes materiais em antiga cavaexaurida de mineração.

Os estudos implementados a partir do projeto básico revelaram que a concepção da pilha está condicionada por três processosgeológico – geotécnicos principais:estabilidade dos taludes da cava, natureza ecomportamento geotécnico do material

assoreado no fundo da cava e características dedrenabilidade dos rejeitos.

Estes condicionantes foram resumidamenteexpostos neste trabalho, a partir da descriçãodos seus aspectos básicos e a discussão dosmecanismos de interferência direta de cada umdeles sobre o projeto final do empilhamentodos rejeitos. As análises atuais evidenciam anecessidade de estudos adicionais e bem maisdetalhados destes problemas, no sentido desuperar as incertezas ainda pendentes.

Além dos estudos adicionais em andamento, pretende-se instrumentar e monitorar a pilhadesde as suas fases iniciais, visando obter

dados de campo para correlação com osresultados dos ensaios e das análises numéricasrealizadas, bem como para obter informaçõesadicionais que possam contribuir significativamente para um completo domíniodos fenômenos associados ao processo de

empilhamento destes rejeitos. Tais parâmetrosservirão de elementos de referência paramanter ou estabelecer novas diretrizes dosistema de disposição de rejeitos de minério deferro na Cava do Germano.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Burdine, N.T. (1953). Relative PermeabilityCalculations from Pore-size Distribution

Data. American Institute of MiningEngineering, 198, 71 – 77.

Gomes, R.C., Araújo, L.G, Oliveira Filho,W.L, Ribeiro, S.G.S. & Nogueira, C.L.(1999a). Concepção e Projeto Básico deDisposição de Rejeitos em Pilhas deRejeitos de Minério de Ferro em CavaExaurida de Mineração. REGEO’99, 4O

Congresso Brasileiro de GeotecniaAmbiental (em anexo).

Machado Jr., J. C. & Oliveira Filho, W. L.(1999). Methodology for Drenability studiesof Stacked Mining Coarse Tailings.REGEO’99, 4O Congresso Brasileiro deGeotecnia Ambiental (em anexo).

Pimenta de Ávila Consultoria Ltda(1998).Relatório do Projeto Básico deDisposição de Rejeitos por Empilhamentona Cava do Germano. Relatório Técnico,28p. (+ anexos).

Sérgio Brito Consultoria Ltda (1997). Taludes

Adjacentes à Correia Transportadora – Condições de Estabilidade. RelatórioTécnico, 13p. (+ anexos).

Van Genuchten, M. T. (1980). A Closed-formEquation for Predicting the HydraulicConductivity of Unsaturated Soils. SoilScience Society of America Journal, 44, 892

– 898.Znidarcic, D. (1998). Report of the Review of

the Germano Exhausted Open Pit Project.Relatório Técnico de Consultoria.

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