Método de lavra:

Câmaras e Pilares

(UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)

O método de câmaras e pilares (room and pillar):

 

Importância prática do método câmaras e pilares:

 

Método muito usado em minas de carvão e não-carvão em todo o mundo.

Na década de 70 nos USA, mais de 50% da produção (subsolo) de carvão vinha deste método. Atualmente, boa parte da produção é ainda feita por C&P.

É o método de lavra usado na mineração subterrânea de carvão no sul do Brasil.  

Aplicações diferenciadas do método C&P:

- Em rochas duras (hard rock)por exemplo: calcário, dolomita, metais

(chumbo, zinco, cobre, ouro, etc.)

- Em rochas friáveis (soft rock)por exemplo: carvão, potássio, sal

Condições do depósito para aplicação do C&P em rochas duras:

-resistência do minério: moderada a alta;

-resistência da encaixante: moderada a alta;

-forma: tabular, lenticular (variável);

-mergulho: geralmente < 30o com a horizontal;

-teor do minério: baixo a moderado;

-uniformidade: variável;

-profundidade do depósito: rasa a moderada.

C&P em rochas friáveis: -resistência do minério: fraca a moderada;

-resistência da encaixante: moderada a alta;

-forma: tabular (em camadas), grande extensão lateral;

-mergulho: geralmente horizontal ou < 15o com a horizontal;

-boa uniformidade de teores e espessuras de minério;

-profundidade do depósito: em carvão, preferencialmente inferior a 600 metros.

Características do método C&P em aplicações não-carvão:

- neste método retira-se minério de câmaras (stopes), que permanecem abertas durante a lavra; pilares são deixados para suporte do teto;

- o teto deve manter-se intacto (parafusos de teto são comumente instalados para reforçar os estratos);

- as câmaras e os pilares são, em geral, organizados em padrões regulares; pilares podem apresentar seção transversal circular, quadrada ou retangular;

- para obter-se máxima recuperação de minério, os pilares são confeccionados com as menores dimensões possíveis.

Animação de atividades de desenvolvimento e produção no Câmaras e Pilares:

\vídeos\rap.exe

Características ... (cont):

- Variações geológicas originam diferentes variações do método:

C&P clássicoAplica-se a depósitos horizontalizados,

apresentando estratos mineráveis que vão de moderada a grande espessura. Nos stopes, o piso é mantido plano, viabilizando o trânsito de veículos sobre pneus. Corpos de minério de grande dimensão vertical são minerados em fatias horizontais, iniciando no topo e finalizando no piso, com desmonte em bancadas.

C&P clássico (mecanização completa):  

 

C&P clássico (mecanização parcial):

Características ... (cont): Step mining

É uma adaptação para o caso onde o mergulho do corpo de minério é grande demais (15o a 30o) para usar equipamentos sobre pneus, ao mesmo tempo em que sua espessura é relativamente pequena (2 a 5 metros). Uma orientação especial das galerias de trânsito e dos stopes cria áreas com piso horizontalizado, permitindo o uso de equipamentos sobre pneus. A mineração progride de cima para baixo nos painéis de lavra.

Step mining

 

Características ... (cont):

Post-pillar mining

Aplica-se a depósitos inclinados, com mergulho entre 20o e 55o. Possuem grande dimensão vertical, e o espaço minerado sofre enchimento (backfilling). O enchimento mantém a rocha estável (minimiza pilares) e serve como plataforma de trabalho para a próxima fatia.

Post-pillar mining  

  As recuperações de lavra (% extração típica) no C&P são variáveis em função do tipo de minério, como mostra o quadro abaixo. Fonte: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock. 

Comparar carvão e ñ-carvão nos USA!

  Recuperações de lavra (% extração típica) em

situações de rochas duras - hard rock:

- podem ser tão altas quanto 85% e são obtidas em geral na lavra em avanço;- recuperações de pilares são raras, pois pilares são pequenos e remoção é de risco;- às vezes os pilares são irregulares e remoção sistemática é impossível.

 Equipamentos no C&P hard-rock:

- diesel em geral (FEL-front end loaders, LHD's, jumbos, trucks); todos equipamentos móveis (sobre pneus) devido à significativa extensão horizontal dos corpos de minério.

Configuração do C&P em rocha dura ...

(Mina Nova - AngloGold-GO/BRA, ouro)

Configuração do método C&P no carvão:

- aberturas ortogonais regularmente espaçadas formam arranjo de pilares quadrados ou retangulares;

- galerias de desenvolvimento (eixo) e de explotação (painel) possuem normalmente características bastante semelhantes; várias galerias paralelas e conectadas por travessões;

Configuração ... (cont.)

- é um método de mineração em larga-escala, com vários painéis podendo ser conduzidos simultaneamente;

- a unidade básica de mineração é o painel, que define a área a ser trabalhada e ventilada.

Configuração ... (cont.)

Eixo principal

Painel de lavra

Galerias de retorno

de ar contaminado

Vista geral de mina de carvão empregando C&P (Mina Fontanella, Treviso-SC)

Plano inclinado de acesso principal

Poço de ventilação (exaustão)

Painel de lavra (projeto)

Eixo em desenvolvimento

Principais parâmetros de projeto de C&P no carvão:

a) dimensões das galerias

b) dimensões dos pilares

c) lavra com ou sem recuperação de pilares

d) número de frentes no painel

a)dimensões das galerias:

-larguras de 5 a 6m são bastante comuns atualmente;-a altura é limitada pela espessura de carvão

minerável (nas jazidas de SC, a seção é retangular com alturas que vão de aprox. 2,0m até 3,5m);

-condicionam o escoramento de teto;-interferem em aspectos operacionais e de segurança;-as dimensões são usadas no cálculo da recuperação

de lavra.

Escoramento de teto:

Atualmente, para que o método Câmaras e Pilares tenha sucesso, as jazidas devem apresentar uma particular condição geológica de teto. Os extratos sobrejacentes à camada de carvão devem ter condição de auto-sustentação ou serem passíveis de ancoragem (há vários tipos de ancoragem com parafusos de teto, com princípios de funcionamento diferentes - ver Anexo A).

Devido os custos, escoramento com arcos metálicos ou madeira são usados apenas em áreas restritas da mina.

b)dimensões dos pilares:

-influem em aspectos operacionais (p.ex. distâncias de transporte) e de segurança (risco de colapso de pilares);

-influem na recuperação de lavra;

Tipos de pilares:

-pilares quadrados e pilares retangulares

-chain pillars (pilares internos do painel de lavra)

-barrier pillars (pilares de segurança)

Leitura complementar sobre pilares no C&P: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock; cap. 59.1 a 59.3.

  Recuperação de lavra:

-parcela da reserva minerada em relação à reserva total.

 

Exemplo comparativo de recup. no painel:

  1)Painel com pilar quadrado de 14m de lado e galeria de 6m de largura...

2)Painel com pilar quadrado de 11m de lado e galeria de 6m de largura...  

 1) área do pilar Ap = 142

área total At = 202

Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 51%

2) Ap = 112

At = 172

Recup. =

(1- Ap/At) x 100% = 58%

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0 5 10 15 20 25

largura dos pilares quadrados (m); (para galerias de 6m de largura)

recu

per

ação

 Comparativo de recuperações de lavra em painel com pilares quadrados e galerias de 6m de largura:

c)lavra com ou sem recuperação de pilares:

modos mais comuns de lavra...

em avanço e sem recuperação de pilares (como é feito no Brasil);

com recuperação de pilares em retrocesso (feito em vários países, p.ex. USA).

Estratégias de recuperação de pilares:

Estratégias de recuperação de pilares:

Equipamentos para auxílio na recuperação de pilares:

Exemplo de painel de lavra:

Mina Leão (CRM-Rio Grande do Sul)

 Lavra com recuperação de pilares:  

d) número de frentes para operação eficiente dos equipamentos no painel:

O avanço do painel é feito através de diversas galerias paralelas (5 ou mais galerias, dependendo da mina) ligadas por travessões.

Precisa-se de mais frentes no modo convencional (drill-blast-load-haul) e menos frentes com continuous miner. O uso de continuous miner prejudica menos o teto e pilares e produz material fino.

Informações necessárias (essenciais) para planejamento de mina de carvão:

-mapa de espessura de camada;

-mapa de profundidade da camada;

-mapas de qualidade...

teor de cinzas, poder calorífico, enxofre, voláteis;

-dados geomecânicos do minério, piso e teto;

-mapa estrutural (falhas, diques,...).

Vantagens do método C&P:  

• Moderada a alta produtividade (m3/homem-hora)

• Moderado custo de lavra (custo relativo=0.3)

• Moderada a alta taxa de produção

• Alto grau de flexibilidade (admite espessuras variáveis no minério); método facilmente modificável; pode operar em múltiplos níveis simultaneamente

• Permite alto grau de mecanização

• Método seletivo, permite deixar material estéril no

local.

• Não requer muito desenvolvimento antecipado.

• Pode ser operado em múltiplas frentes.

• Razoável recuperação sem extração de pilares (50-65% em carvão), baixa diluição (10-20%).

•Comparando com Longwall: LW é pratic. inflexível,  requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são eventualmente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.

 

• Na comparação direta com Longwall: LW é pratic.

inflexível,  requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são freqüentemente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.

Desvantagens:

-Requer contínua manutenção do teto e, eventualmente, dos pilares. A tensão nos espaços abertos aumenta com a profundidade.

 

-Significativo investimento de capital para mecanização extensiva.

-Perda de minério nos pilares.

 

 

• No caso do C&P em rochas duras, pode haver dificuldade de conseguir boa ventilação para diluição de contaminantes no painel em razão da baixa velocidade de ar nos grandes espaços abertos.

• Requer bom suporte técnico e de engenharia.

 

 Equipamentos usados na lavra no método

câmaras e pilares para carvão: 

 

Conjuntos mecanizados convencionais;

 

Conjuntos mecanizados com LHD’s;

 

Continuous miners;

 

Calhas de arraste + carregadeiras Bob-cat.

 

Equipamentos do conjunto mecanizado convencional:  

Exemplo de conj. mecanizado convencional usado na Carbonífera Metropolitana S.A. (SC-BRA)

1 2

3

4 5

9

68

7AR LIMPO AR SUJ O

1 - LO ADER

2 - SHUTTLE-C AR

3 -PERFURATRIZ DE TETO

4 - C O RTADEIRA

5- PERFURATRIZ DE FRENTE

6 -ALIM ENTADO R

7 -C O RREIA TRANSPO RTAD O RA

8 -C ENTRO DE FO RÇ A

9 -VENTILADO R

Equipamentos operando com continuous miner:  

Shuttle-car 

Roof bolter

Configuração de painéis:

Continuous miner.

PainéisDrill & blast

Considerações sobre aplicabilidade do método C&P no carvão

Características das camadas:

-para continuous miners e equipamentos convencionais drill&blast – camadas entre 1 e 4m;

-características estruturais têm grande influência no sucesso do método;

Características estruturais...

-presença de falhas e diques podem inviabilizar a seqüência de lavra do

painel (no caso de deslocamentos verticais acentuados na camada de carvão);

podem provocar mudança do padrão de avançamento e equipamentos da frente de lavra;

demandam cuidados especiais no escoramento de teto (reforço de teto, telas, ...)

Características estruturais...

-mergulho da camada mineralizada

se for acentuado pode inviabilizar transporte sobre pneus que funciona bem com shuttle-car até 14 ou 15% (em rochas duras as declividades usadas vão até +/- 20%, com LHD’s);

equip. sobre esteiras funcionam até +/- 25%;

Características estruturais...

-espessura de overburden:

pressão vertical e resistência de rochas sedimentares limitam exploração de carvão a não mais do que 1200m de overburden;

nos USA, camâras-e-pilares são normalmente usados até 600m de overburden e longwall entre 600m e 800m;

no sul do Brasil, overburden do carvão para as minas em atividade geralmente é menor que 300m.

Características do piso e teto...

-C&P aceita condições variadas de teto devido às diferentes alternativas de escoramento. A redução dos vãos pode livrar o teto de condições precárias, mas resulta em perda de recuperação.

-Longwall requer folhelhos/siltitos (rochas c/baixa resistência como teto imediato) nos primeiros 10 ou 20m de teto.

Características do piso e teto...

-piso fraco/macio traz problemas para pilares e impede boa produtividade de equipamentos sobre pneus;

-Longwall é mais problemático em piso macio do que C&P.

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ANEXO A: Parafusos de teto

Parafusos de teto

Esta técnica de escoramento consiste na introdução de uma haste metálica em um furo, solidarizando-a com o maciço por ancoragem, selagem (resina ou cimento) ou fricção .

Vantagens deste tipo de escoramento :-baixo custo-pode ser mecanizado e a instalação é relativamente fácil-permite uma seção útil maior para a galeria-pode ser combinado com outros métodos de escoramento-permite escorar aberturas de grande altura.

Diferenças principais com os outros tipos de escoramento :

- a força de confinamento ( F ) exercida pelo parafuso implica na existência de uma reação equivalente ( R ) mais ou menos repartida no maciço . Nos outros escoramentos, a reação se encontra na superfície oposta.

Ação e reação sobre o maciço dos diferentes tipos de escoramento

Tipos de parafusos:

1. ancoragem pontual2. ancoragem repartida3. parafusos à fricção

Parafusos à coquilha de expansão

1. Parafusos a ancoragem pontualConsiste em colocar no furo

uma haste ancorada no fundo do furo por uma coquilha a expansão ou uma cunha expansora . As hastes geralmente empregadas são de aço dúctil ou aços de alta resistência.

Sistema de ancoragem ( o parafuso com coquilha )É composto por :- um cone de expansão solidário à haste-a coquilha que se alarga ( semelhante ao sistema de bucha-parafuso ) sob ação do cone de expansão pressionando-a contra a parede do furo.

Funcionamento do sistema cone-coquilha Quando se exerce uma tração sobre a haste se estabelece um equilíbrio duplo entre cone e coquilha e coquilha-parede do furo .

Equilíbrio de um sistema à expansão

2. Parafusos a ancoragem repartida:

O sistema consiste numa haste solidarizada ao terreno por meio de um produto químico, como resina ou cimento . É utilizada uma placa, que neste caso não é essencial ao funcionamento do parafuso. Este tipo de parafuso permite o escoramento por confinamento (o objetivo é lutar contra cisalhamentos ou abertura de fissuras). No parafuso, a ancoragem pontual atua como escoramento portante.

As hastes utilizadas são de três tipos (ver figura abaixo).

A resina:

Produto composto (resina + endurecedor).É um material de alta resistência:

Rc = 120 a 140 Mpa;t = 30 Mpa.

Esquema de Colocação

Cimento

Os produtos mais utilizados são :- cimento puro + água- mistura cimento+brita+água nas proporções(em peso): 42% , 42%, 16%.- produtos comercializados pelos fabricantes de parafuso

Em uma haste selada no comprimento L em um furo de diâmetro D, exercendo um esforço de tração F no eixo da haste , pode haver :- uma ruptura do produto de selagem - um escorregamento da haste .

Esquema de colocação

3. Os parafusos à fricção ( atrito )

Split – set:É composto por um tubo fendido ao longo da geratriz . O parafuso é introduzido em diâmetros de 36 mm por meio de um martelo perfurador .

O modelo standard tem as seguintes características :- espessura de tubo : 2.3 mm- diâmetro exterior : 38 a 39 mm

Swellex:

É fabricado pela Atlas-Copco.É composto por um tubo dobrado que, por injeção de água, se deforma e ocupa o furo. Atinge até 3,6m de comprimento e pode ser acoplado com outros tubos.

Vantagens:

ANEXO B: Dimensionamento de pilares em mina de carvão

Dimensionamento de pilares em mina de carvão pelo método da área tributária:

É o método mais simples de dimensionamento e, com algumas adaptações, serve tanto para carvão (corpos tabulares horizontalizados) quanto para outros depósitos geometricamente regulares (p.ex.: corpos metalíferos estratiformes e lenticulares). Neste método, só o estado de tensão axial nos pilares é levado em conta.

Passos para dimensionamento de pilares em carvão:

a)Determinar σc (resistência à compressão uniaxial) da rocha que compõe os pilares, obtida de testemunhos de sondagem, referente ao diâmetro D dos testemunhos (D em polegadas).

1 psi = 6,895 x 103 N/m2

b)Determinar k = σc D½ , onde k é a constante que relaciona a resistência à compressão uniaxial de pequenas amostras com σ1, a resistência à compressão uniaxial de volumes de rocha de dimensões comparáveis aos pilares in-situ. O parâmetro σ1 é dado por:

aplicável quando a espessura h da camada minerada é > 36 polegadas (0,9m);

aplicável quando a espessura h da camada minerada é < 36 polegadas.

c)Definir a equação de resistência σp dos pilares de mina.

Há várias equações diferentes, obtidas a partir de estudos diversos. Entre as mais usadas (w=largura do pilar, h=espessura do pilar):

Obs.: se o pilar não for quadrado, fazer w = we na fórmula de σp, onde we = 4 Ap / C.

Ap = área do pilar (perpendicular ao eixo vertical) que sofre o carregamento axial devido à cobertura H;

C = perímetro externo do pilar.

(Ref.: Brady & Brown, cap.13.)

d)Definir a largura da galeria B.

e)Determinar a carga Sp sobre o pilar, para uma espessura H de cobertura na área do depósito.

Sp = γ H [ (w+B)/w ] [ (L+B)/w ],

sendo γ = peso específico médio da cobertura;

L = comprimento do pilar.

f)Escolher o fator de segurança F. Fazer σp / F = Sp e resolver esta equação para w.

O intervalo 1.5 ≤ F ≤ 2.0 é usado em geral, mas cada fórmula possui recomendação quanto ao F a ser empregado.

g)Verificar a recuperação de lavra, supondo que a espessura total da camada será minerada:

Rec = 1- [ w/(w+B) ] [ L/(L+B) ] .

h)Se a recuperação não for aceitável e precisar ser aumentada, diminuir w e/ou L para satisfazer à meta. Verificar se a nova combinação w e L é aceitável do ponto de vista de estabilidade ( F = σp / Sp ).

Na fórmula de Bieniawski, F=1.5 é usado para pilares de curta duração (em painéis); F=2.0 para pilares de longa duração (eixos).

Exemplo:

Verificar a seguinte configuração de pilares de mina de carvão, em termos de segurança e recuperação de lavra ...

H = 500ft (152m);B = 18ft (5.5m);w = 60ft (18.3m);L = 80ft (24.4m);h = 7ft (2.1m).

O valor de k é 5580, baseado em σc = 3822 psi, obtido de testes em testemunhos de diâmetro NX.

Usar a fórmula de Bieniawski para cálculo da resistência dos pilares.

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