PPGEMMIN 746

Lavra SubterrâneaProf. José Margarida da Silva

2010

Métodos de Lavra Subterrânea POR QUE LAVRA SUBTERRÂNEA?

Profundidade do depósito*;

Quantidade de material a ser retirado para alcançar o minério;

Jazidas aflorantes vão se tornando escassas;

Restrições ambientais à lavra a céu aberto;

Aumento do conhecimento do comportamento de maciços rochosos.

* Torres e Diniz da Gama (2005): minas pouco

profundas ou rasas (até 850m) e profundas (a partir de 850m).

Dessureault (2004): se existe perspectiva de mais de 150m de profundidade, admite-se a hipótese de mina subterrânea.

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Custos e decisão de lavra

Cam – custo minério; R – REM;Cse – custo retirada estéril; Cs – custo subsolo.

MINA A CÉU ABERTO E SUBTERRÂNEA

Arranjo de uma mina com transição céu aberto para subterrânea.

Fases da mineração

Fazenda Brasileiro, Jerrit Canyon,Jouac,Kamoto,Loolekop,Kittila,Mount Isa,Turmalina,Pyhasalmi,Raglan,Vazante, ...

Lavra convencional (cíclica) -explosivos: perfuração, carregamento e detonação, remoção dos gases, limpeza da frente;

Lavra contínua - equipamentos que desagregam rocha por escarificação;

Sistema misto - comum para carvão, corte para face livre executado por máquina de corte (rafadeira) e execução de furos para desmonte por explosivo;

Decisão: aspectos técnicos e econômicos. Economia, segurança, mínimo de perturbação ambiental

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Operações e equipamentos

Rocha dura: pequena escala• Perfuração manual• Carregamento:

– carregadeiras tipo LHD (load, haul and dump)com capacidade de 0,4 m3 até 4 m3 ou de descarga traseira.

– Transporte:– caminhões de 7 t a 15 t, dependendo do

tamanho das vias;– trens, especialmente composições com vagões

tipo gramby car com 4 t a 8 t de capacidade, sendo usados 8 a 12 vagões por trem;

– trem caindo em desuso (menor flexibilidade, baixa produtividade).

Rocha dura: média escala

• Perfuração mecanizada

• Carregamento:– carregadeiras LHD com capacidade entre

4,5 m3 e 7 m3.

• Transporte:– caminhões de 20 t a 30 t.

Rocha dura: grande escala

• Perfuração mecanizada – jumbos

• Carregamento:– carregadeiras LHD com capacidade entre

9 m3 e 11 m3.

• Transporte:– caminhões de 40 t a 80 t (em teste 90t).

Rocha mole

• Desmonte contínuo

• Carregamento:– mineradores contínuos ou cortadeiras para desmonte

e/ou carregamento.

• Transporte:– Carros transportadores (shuttle cars) e correias

transportadoras;– às vezes utilizam-se mineradores contínuos ou

combinação com carregadeiras LHD e caminhões.

LAVRA SUBTERRÂNEAPrincípios fundamentais

Desmonte com o avanço de aberturas paralelas.

Deixam-se porções do minério para formar pilares, de dimensões e formas adequadas.

Pilares limitam os vãos das aberturas e promovem a sustentação do teto.

Abandono de pilares

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Princípios fundamentais

Material útil vai sendo extraído; vazio formado é preenchido com outro material para sustentação do teto;

Desmonte da face é integral; frente se desloca, sendo acompanhada pelo enchimento;

Teto na frente de trabalho normalmente sustentado para evitar queda de blocos ("chocos").

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Enchimento

Enchimento

Minério In situ

Sentido de avanço da frente

Planta

Com avanço da frente de lavra, provoca-se seu desabamento, a uma distância controlada, dissipando-se parte da energia armazenada.

A rocha desabada empola, o que inibe a propagação do abatimento.Blocos começam a exercer reações apreciáveis sobre o teto, favorecendo sua sustentação.

Princípios fundamentais

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Abatimento controlado do tetoA

B

Classificação de Métodos

Deslocamentos

Energia armazenada

Métodos sem suporte artificial Suportados Abatimento

Métodos de lavra subterrânea

Room-and-pillar

Sublevel and longhole open

stoping

Cut-and-fillstoping

Shrinkstoping

VCRStoping

Longwallmining

Sublevel caving

Blockcaving

(Brady e Brown, 2004)

Minério desmontado desce por gravidade até galeria de transporte;

Inclinação a partir da qual começa a ocorrer rolamento do minério desmontado depende das dimensões dos blocos e da regularidade do piso; fica entre 45° e 50°;

Escavações devem ter inclinação superior ao ângulo de repouso do minério fragmentado.

Classificação de corpos de minério

Corpos de mergulho acentuado

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Equipamentos chegam até as pilhas de minério desmontado nas frentes de lavra;

Máxima inclinação varia com tipo e porte do equipamento, mas habitualmente fica entre 8 e 11 (15 a 20%);

Além desses limites pode ainda ser exeqüível, com o desmonte conduzido segundo retas de menor declividade ou horizontais de mesmo plano do corpo.

Classificação de corpos de minério

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Corpos horizontais e subhorizontais

Inclinação excede limites de

trafegabilidade (“gradeability”) de

equipamentos, mas não ésuficiente para que ocorra

escoamento do minério desmontado, sob ação da

gravidade, das frentes de lavra até galeria de

transporte; Minério precisa ser arrastado

até locais de carregamento.

Classificação de corpos de minério

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Corpos de mergulho suave

Passagem de pessoal

Galeria de transporte

Ponto decarregamento

Travessas de carregamento

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Alargamento em subníveis (sublevel stoping)

Perfuração mecanizada: em leque ou paralela.

Carregamento:

– LHD, descarga traseira, carregadeira frontal, chutes.

Transporte:

– Caminhões convencionais ou rebaixados, correias;

– Preferência para equipamentos de maior porte.

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Caminhão (Mina Santa Helena, Brasil)

Alargamento em subníveis

Fácil ventilação;Pequena exposição;

Pequena necessidade de suporte;Recuperação pode alcançar 75%;

Diluição de 20%;Não seletivo;

Furos longos requerem cuidadoso alinhamento (desvio menor que 2%).

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Alargamento em subníveis - análise

Lavra por corte e enchimento (cut and fill)

mining) Capa

Lapa

Realce

EnchimentoPassagemde minério

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Por corte e enchimento

Minério é completamente removido. Material de enchimento suporta as paredes e fornece piso para

a lavra da próxima fatia de minério;

Enchimento - Rockfill, backfill, sandfill, pastefill;

Resistência das encaixantes: fraca;

Forma da jazida: variada - pode ser irregular, descontínua; Teor alto;

Forte mergulho, mas adaptável.

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Perfuração mecanizada

CARREGAMENTOLHD com capacidade 0,4m3

(elétricas), até 3m3, raramente maiores; rastelo.

TRANSPORTECaminhões ou trens com vagões de pequeno porte.

Corte e enchimento (Aterro)

Alta mecanização;Boa seletividade;Alta recuperação de minério (90 a 100%);Baixa diluição;Baixo custo de desenvolvimento;Versátil;Estéril e rejeito podem ser distribuídos no subsolo.

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Corte e enchimento - Análise

Passagem de minério

Perfuração

Desenvolvimento

Zona abatida

Lavra: desmontee carregamento

Nível principal de transporte

Abatimento em subníveis (Sublevel caving)

• Perfuração mecanizada;

• Carregamento e transporte: LHD´s controle remoto, caminhões 22t, vagões 35 a 40t.

• Lavra descendente, furação longa ascendente;

• Minério desmontado despejado em passagens, deixando-se a capa deformar-se e abater-se;

• Fluxo de material fragmentado grosseiro: fator mais importante no método;

• Produção superior a 50.000t/dia;• Investimento inicial de centenas

de milhões de dólares. 25

Abatimento em subníveis

Mina de Kiruna, Suécia

Requisitos rígidos;

Melhores índices de segurança e de saúde;

Alta recuperação (80 a 90%);

Independência das operações;

Diluição inevitável (10 a 35%);

Perdas de minério entre a detonação de um leque e outro (10 a 20%);

Subsidência.

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Abatimento em subníveis – análise

Block Caving

Nível principal Nível de transporte

subnível com grelha

Preparação do solapamento

ramificações

Blocos solapados para induzir abatimento;

Minério e rocha encaixante são abatidos;

Alta produtividade, altas escalas de produção;

Baixo custo de lavra (custo relativo de 20%);

Diluição: 10 a 20%, recuperação até 100%;

Operações padronizadas, boa supervisão; bons índices saúde e

segurança;

Subsidência pode ser em grande escala, controle de fluxo crítico;

Grande tempo de desenvolvimento para blocos (cerca de

1000m2), se desmonte sem explosivo.

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Abatimento em blocos

Perfuração vertical

Pilar Perfuraçãofrontal 29

Método por câmaras e pilares (room and pillar mining)

Perfuração mecanizada (frontal, descendente ou ascendente):

− Minerador contínuo substitui perfuração e detonação –Marietta: capacidade 10mil t/dia.

Carregamento:

– LHD a diesel ou elétricas de 0,75 a 11 m3.

Transporte:

– Nos realces, por shuttle cars descarregando em correias ou por vias abertas na lapa para este fim através de caminhões ou trens;

– Caminhões rebaixados e articulados 15 a 50 t.

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Câmaras e pilares

Painel anterior

Novo painel

Entradas múltiplas

Load, haul,dump

Transporte até250, 300m

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Carregadeira rebaixada LHD

Caminhão e carregadeira

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Caminhão rebaixado

Caminhão e carregadeira

Minério in situMinério fragmentado

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Rastelo

Morro do Urucum(RDM, manganês, Brasil)

Desenvolvimento: poço raso e túnel na lapa;Lavra adicional no teto, devido à baixa potência; 3 horizontes diferenciados de “ataque”;subdivisão do corpo de minério em 3 faixas sub-horizontais, painel de

800mx800m, com distância lateral de 400m, de acordo com condição geomecânica da rocha (encaixante: arcósio).

Definição se deveu à grande área e contribuiu para melhor adequação às metodologias de lavra, às operações de ventilação e transporte do minério.

Acidente: final anos 80;Exigências do DNPM para

F.S.=1.8;Baixa recuperação da lavra;Desconhecimento do

comportamento geomecânico da Camada Bonito;

Necessidade de novas metodologias para dimensionamento de pilares.

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Câmaras e pilares - carvão

• Lavra entre 430 e 640m profundidade;

• Desmonte por mineradores contínuos;

• Carregamento por shuttle cars;

• Transporte por correias (7 km);

• Produção de cloreto de potássio;

• Capacidade ampliada de 645 mil t/ano para 850 mil t/ano.

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Mina Taquari - Vassouras

Galerias interligadas por travessas perpendiculares ao corpo de minério;Número de aberturas que atenda à vazão de pessoal, equipamentos,

ventilação;Lavra convencional (cíclica, regular) ou contínua;Recuperação - 20 a 60%, Diluição - 0 a 5%.

Método se presta bem à mecanização; Mina pode ser retomada, com enchimento ou abatimento;À medida da profundidade, rivaliza com outros métodos (lavra frontal –

veios estreitos, acima de 1.050m – lavra por solução);Reutilização das aberturas depende de planejamento prévio.

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Câmaras e pilares

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Minerador contínuo

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Fan Drill Simba

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Robô para projeção de concreto

Entrada de ar

carvão

Ventilação

Área abatida

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Lavra por frente longa (longwall) - planta

Lavra integral, desmonte em face contínua, abrangendo toda a extensão;

Com ou sem abatimento;Galerias de transporte (duplas ou triplas), próximas, cerca de 100m

de comprimento, para material e pessoal;Subida face livre para iniciar desmonte;Arranjo longitudinal (corpos de pequena espessura);Arranjo transversal (espessura a partir de 30m); Exige rigoroso controle do contato.

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Lavra por frente longa (longwall)

Lavra em avanço (menor desenvolvimento prévio) ou em recuo (entradas simples usadas apenas por um painel, mais barata, mais rápida, requer menos mão de obra);

Grande produtividade (maior em subsolo);Grande recuperação na lavra; Custo de manutenção elevado (tempo de transferência de

equipamentos de um painel para outro);Alto custo de investimento ou de capital.

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Lavra por frente longa (longwall)

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Cortadeira e suporte auto-marchante

• 80%: desmonte com mineradores contínuos;

• Carregamento:– Transportadores de correntes que operam junto à face.

• Transporte:– Correias transportadoras ou carros (shuttle cars) dispostos

nas travessas.

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Lavra por frente longa (longwall)

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Carro transportador (Shuttle car)

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Lavra por frente longa (longwall)

Longwall• Western Deep Level Gold Mine, South Africa;• Gordonstone Coal Mine, Queensland, Australia;• Appin Colliery Coal Mine, New South Wales, Australia;• Southern Coalfield Mine, New South Wales, Australia;• South Africa Gold Mine;• Lavra experimental, Mina do Leão, Brasil;• Mimosa (México) – carvão, • Wyoming Trona – ouro e potássio (África do Sul);• Impala – platina (África do Sul): suportes de madeira, transporte na

frente: rastelo, água..

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Produtividade e custo de lavra

MÉTODO DE LAVRA PRODUTIVIDADE (t/homem X turno)

CUSTO UNITÁRIO (US$/t)

Céu aberto 26 - 15

Câmaras e pilares 27 - 73 11 – 33

Alargamentos abertos 27 – 45 9 – 33

Por recalque 4 – 15 17 – 44

Por subníveis 14 – 50 13 – 39

Corte e enchimento 9 – 40 17 – 55

Longwall 63 – 163 6 – 28

Abatimento em subníveis

15 – 40 13 – 44

Abatimento em blocos 14 - 50 6-22

Mecanização e automação• Automação: chave para segurança e produtividade na

mineração.• Operações de mineração subterrânea em processos de

produção muito profundos, de acesso extremamente difícil ou com alto grau de periculosidade tornam a automação e os equipamentos de operação autônoma escolhas óbvias.

• Objetivos• aumentar a segurança, • reduzir o trabalho manual repetitivo,• aumentar a eficiência e a produtividade geral.• Jumbos: adaptados e implementados - rockbolters –

colocação de parafusos de ancoragem e scalers –abatimento de chocos ou raise climbers – plataformas elevatórias;

Mecanização e automação - tendências• “trackless mining” – vagões: alta produção;• “Minas novas, situadas em áreas remotas, não

são as mais atrativas para recrutar pessoas com melhores qualificações. Para explorar essas jazidas de forma rentável, a automação não seráapenas uma opção – será a única opção."

• Equipamentos auxiliares:• robôs para concreto projetado, • suportes deslocados por controle remoto,• carregadores de explosivos, • ventiladores, • bombas de drenagem, • Veículos auxiliares de iluminação etc.

Mecanização e automação• Retirada mecânica de chocos• geralmente oferece ao trabalhador maior proteção. • Operador remove a rocha solta, enquanto fica

posicionado em cabine de proteção e a maior distância que na retirada manual.

• Em 2002, cerca de 25% das minas brasileiras jáusavam scaler (perfuratriz adaptada para o batimento mecanizado de chocos).

• Equipamento híbrido de barra convencional de abatimento de chocos e rompedor hidráulico.

• CMS – Caving Monitoring System - laser “desenha”cavidade a distância.

Mecanização e automação• sistemas computadorizados de controle e orientação

em grandes equipamentos de perfuração subterrânea e carregadeiras;

• nova carregadeira LHD reduz esforço físico do operador, aproveitando da melhor maneira a potência.

• Caçamba penetra nos detritos com mais facilidade e rapidez, permitindo aumento do número de cargas por turno.

• Benefícios em termos de produtividade e segurança derivados dos sistemas de controle;

• Tendência de uso de CLPs – controladores lógicos programáveis;

Mecanização e automação• Instalação de parafusos controlada a distância• Utilização de equipamento de instalação de cabos

– Brasil e Finlândia, Chile, entre outros. • Mina de Cuiabá (MG) – corte e enchimento• Conjugação em um equipamento de funções

realizadas por 3 máquinas elevou em 18% velocidade de instalação de cabos. O equipamento apresenta disponibilidade de 89%, com 20 a 25 mil m de suporte realizado.

• Kemi Mine, na Finlândia• Equipamento tem carrossel para 17 hastes,

velocidade de instalação superior a 40m/h, em furos de 51mm de diâmetro, 20 ou 25m de comprimento. Também na Mina Michilla, no Chile.

Mecanização e automação

• sistemas automáticos de troca de bits, • sistemas automáticos de abertura de túneis;• Measure While Drilling, sistema de registro de

características de estratos de rochas que usa a perfuratriz como sensor enquanto faz os furos.

• Os dados registrados são, em seguida, transferidos para um PC para uma análise mais detalhada, sendo possível fazer uma previsão da interpretação das características geológicas.Tendências – cooperação empresas/fabricantes; minas-escola; utilização de tecnologia que forneça uma visualização prévia da realidade.

Mecanização e automação – Estudo de Caso

• Mina Finsch (África do Sul) – diamante - Abatimento em blocos

• Sistema AutoMine – caminhões autônomos trafegam no ciclo de transporte entre os pontos de carregamento e o britador primário, localizado próximo ao sistema de içamento do poço vertical. Eletrônica embarcada, comunicação sem fio.

• Benefícios

• Aumenta utilização de equipamentos,

• maiores velocidades de transporte aumentaram a produção;

• Maior estabilidade de escavações, redução do risco de dano ao trabalhador.

Mina Finsch• África do Sul – diamante• Manuseio de minério tem CMS – planejamento

das atividades do dia, divisão nos turnos de trabalho, dando orientações para LHDs.

• Registro de todos os movimentos do equipamento.

• Fornece informações para outros sistemas de controle:

• PCS – Production Control System;• MCS – Mission Control System.• Da sala de controle na superfície, o operador

controla caminhões e LHDs.

FuturoMina automática?Caminhões baixa/alta capacidade?Britagem/usina dentro da mina subterrânea:

Andina (Chile); Baltar (Brasil); Kidd Creek, Otjihase (Canadá); Central Rand Gold, projeto de Efemçukuru (África do Sul).

Minas fechadas: visitação, enchimento, armazenamento

Avanços no processo de extração

LHD

ORE PASS

Minería Actual Minería de Transición

Minería Continua

TendênciasTatiya, 2005: mina subterrânea do futuro será controlada de uma sala.

SANDVIK, 2008: umoperador para vários equipamentos (LHD´s ou caminhões).

Índia: Qual o limite?

Brady, B. H. G.; Brown, E. T. Rock Mechanics for Underground Mining. 2006.Cummins, A. B; Given, I. A. 1992. Mining Engineering Handbook. AIME.Dessureault et al. Application of computers and operations research in the

mineral industry. Balkema. 2004.Gerstch, R. E.; Bullock, R. L. Techniques in Underground Mining. SME, Littleton,

USA. 1998.Hartman, H. L; Mutmansky, J. M. 2002. Introductory Mining Engineering. John

Wiley.Hustrulid, W. A.; Bullock, R. L. 2001. Underground Mining Methods. SME.Tatiya, R. R. Surface and Underground Excavations, p. 152-154. 2005.Urbina, F. P. O. Fundamentos de Laboreo de Minas. FGP. Madri. 1994.Lisboa, F. M. Mineração – uma experiência vivida. 2009.

Periódicos: Brasil Mineral; In the Mine; Revista Escola de Minas (REM); CIM Bulletin; Engineering & Mining Journal/ World Mining Equipment;Minérios & Minerales; Mining and Annual Review;Mining Engineering; Mining Magazine; World Tunnelling;Mining Perspectives for both worlds. P&H.

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Referências Bibliográficas