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André Zingano, Cleber Gomes, Jair Koppe

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Modelagem Numérica do confinamento proporcionado pelo enchimento de minas subterrâneas de carvão com câmaras e pilares

Esta apresentação

• Introdução

• Objetivo

• Metodologia

• Comportamento e modelagem do material de enchimento

• Conclusões

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Introdução

• Recursos de carvão brasileiro: 34 bi tons

• ROM 45-55% de cinza (20-40% após o beneficiamento)

• Dois tipos de materiais:

• Rejeito do beneficiamento do carvão

• Cinza da queima do carvão

• Os rejeitos do beneficiamento e queima do carvão depositados em superfície causam sérios problemas ambientais devido a drenagem ácida

• A termoelétrica de Tubarão, SC queima cerca de 1.5 mi ton de carvão por ano.

• 375.000 ton de cinza leve e pesada 3

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Introdução…

• A experiência do backfill em SC é pequena

• Iniciou pela necessidade de contenção de ruptura de pilares

• O uso de cimento de rejeito fino bombeado ou misturado com rejeito grosso foi utilizado como material de enchimento

• O sucesso da contenção e estabilização de pilares por meio do enchimento de galerias levou as empresas, juntamente com o Siecesc e UFRGS, estudar os diferentes tipos de backfill, incluindo cinzas da queima do carvão;

• O enchimento tem dois tipos de objetivo:

• Evitar a desagragação das paredes dos pilares e redução da resistência em longo prazo;

• Reduzir o impacto ambiental da deposição de rejeitos em superfície

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Objetivo

• O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento do material de enchimento e determinar o modelo constitutivo desse material de enchimento por meio de testes em laboratório e modelos numéricos

• Para simular o comportamento do enchimento em galerias e o efeito do confimento ao redor dos pilares , modelo numérico foi construído, considerando os modelos constitutivos e critérios de rupturas dos materiais que formam o teto, pilar e enchimento

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Metodologia

• Teste de compactação foram realizados em laboratótrio para medir o grau de compactação e medir o confinamento lateral aplicado a parede da câmara de compactação

• Foi construído um mosdelo numérico para simular o teste de compactação e determinar os parâmetros do modelo constitutivo do material de enchimento.

• Uma simulação do ambiente em subsuperfície foi montado por meio de modelo numérico para estudar o comportamento do material de enchimento em subsolo quando ocorre a ruptura do pilar e teto imdiato

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Misturas • Testes com cimento com objetivo do enchimento ter uma

resistência inicial

• Foram considerados vários tipos de materais

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Mistura Rejeito

(R1+R2+R3)

Bottom Ash

Fly Ash

Cimento Cal Rejeito

Fino

1 75 5 5 15

2 70 10 10 10

3 70 12.5 12.5 5

4 70 20 10

5 70 20 5 5

6 70 15 5 10

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Resistências da misturas com cimento

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Misturas

Resultados de resistência (MPa)

Média

1 2.98 2.5 3.42 3.4 3.34 2.77

2 2.27 2.77 2.02 2.82 2.83 2.45

3 0.66 1.25 1.34 1.3 1.16 1.45

4 1.31 1.44 1.21 1.46 1.40 1.80

5 0.98 1.08 0.70 1.94

6 Menor que 10kN

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Rockfill

• Devido ao alto custo do cimento e da necessidade de construir uma usina de preparação da polpa e posterior bombeamento, foi decidido estudar o comportamento do rejeito granulado sem a adição de cimento.

• Esse tipo de rockfill na possui resistência inicial pois não há coesão entre as aprtículas, apenas fricção

• O rejeito terá resistência e confinamento quando ocorrer a compactação causada pela deformação do maciço ao redor da galeria

• ruptura dos pilares e teto

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Comportamento do rockfill • O rockfil é formado pelo rejeito grosso do beneficiamento

• Siltitos e argilitos

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Confinamento inicial

• O confinamento inicial se dá pelo peso próprio o material

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pilar

teto

rockfill

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Teste de compactação • Câmara de compactação foi desenvolvida para medir a razão de

compactação e a pressão lateral na parede da câmara

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Câmara de compactação…

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Teste de compactação

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Carga (kN) Desl. (mm)

Desl. (m) Pressão

(kPa) Deform. (m/m)

Deform. (%)

0 0 0.000 0.0 0.0000 0.0

15 7 0.007 1909.9 0.0737 7.4

20 20 0.020 2546.5 0.2105 21.1

30 24 0.024 3819.7 0.2526 25.3

40 26 0.026 5093.0 0.2737 27.4

45 27 0.027 5729.6 0.2842 28.4

50 27 0.027 6366.2 0.2842 28.4

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Teste de compactação…

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1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 1000 2000 3000

Pre

ssão

ver

tica

l (kP

a)

Deform. axial (mm/mm)

Fecha vazios e quebra fragmentos

Fecha vazios

vazios são fechados e resistência começa a aumentar

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Pressão lateral • A pressão lateral na câmara foi medida por meio de strain

gauges enquanto o pistão compacta o material

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Modelo numérico do teste de compactação • Modelo numérico em 2D foi construído para calibrar o modelo

constitutivo do material de enchimento

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100mm 5mm 5mm

120mm

Pressão no rockfill

Aluminio

Material Rockfill

ANTES DA COMPACTAÇÃO DEPPOIS DA COMPACTAÇÃO

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Modelo constitutivo

• Critério de Double Yielding com endurecimento

• Properties elásticas

• Curva pressão /deformação

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Bulk (Pa) Shear (Pa) Coesão

(Pa) Âng. Atr.

(deg) Resist.

(Pa) Mod. Young

(Pa) Razão

Poisson

3.032E+08 1.011E+08 0.00E+00 15 0.000E+00 2.73E+08 0.35

Def. (m/m) 0 .0737 .2105 .2526 .2737 .2842 .2842

Pressão (Pa) 0 1.9e6 2.55e6 3.82e6 5.09e6 5.73e6 6.37e6

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Comparação entre modelo numérico e teste de laboratório

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Simulação do enchimento de uma galeria

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• Modelo numérico em 2D foi construído para a simular o comportamento do enchimento no ambiente de mina subterrâneo

11m

3.3m

1.8m

8m 3m

0.6m 1.2m

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Simulação de uma galeria…

• Mesmo comportamento da pressão e desocamento vertical quando o enchimento começa a compactar

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Simulação de uma galeria…

• Pressão lateral

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Conclusões

• O comportamento do backfill baseado nos testes de laboratório e modelos numéricos foi definido como um material que segue o modelo doubleyielding

• O confinamento do pilar será ativado somente quando compactado pelo maciço ao redor da galeria

• Uma ótima oportunidade para pensar em recuperação parcial de pilares em retrocesso para aumentar a recuperação da lavra sem causar subsidência na superfície

• A compactação depende da pressão aplicada sobre o material de enchimento e a deformação dos pilares e subsidência dependerão da quantidade de enchimento da galeria e da razão de compactação

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Obrigado!!

Perguntas?

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Agradecimentos

• Universidade Federal do Rio Grande do Sul

• Lab. De Pesquisa Mineral e Planejamento Mineiro

• Fundação Luiz Englert

• SIECESC

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