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Dissertao de Mestrado

AVALIAO DO EFEITO DE ESCALA NO

ESTUDO DA RESISTNCIA AO CISALHAMENTO

DE UM ESTRIL DE MINRIO DE FERRO

AUTOR: CHRIST JESUS BARRIGA PARIA

ORIENTADOR: Prof. Dr. Hernani Mota de Lima

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM GEOTECNIA DA UFOP

OURO PRETO ABRIL DE 2015

Catalogao: www.sisbin.ufop.br

P231a Paria, Christ Jesus Barriga. Avaliao do efeito de escala no estudo da resistncia ao cisalhamento deum estril de minrio de ferro [manuscrito] / Christ Jesus Barriga Paria. -2015. 131f.: il.: grafs; tabs.

Orientador: Prof. Dr. Hernani Mota de Lima.

Dissertao (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola deMinas. Ncleo de Geotecnia-NUGEO. rea de Concentrao: Geotecnia de Minerao.

1. Resistncia ao cisalhamento. 2. Materiais granulados. 3. Ferro - Minas eminerao. I. Lima, Hernani Mota de. II. Universidade Federal de Ouro Preto.III. Titulo.

CDU: 624.13

ii

AVALIAO DO EFEITO DE ESCALA NO ESTUDO DA RESISTNCIA AO

CISALHAMENTO DE UM ESTRIL DE MINRIO DE FERRO

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Geotecnia do Ncleo de Geotecnia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Geotecnia.

Esta dissertao foi apresentada em sesso pblica e aprovada em 13 de Abril de

2015, pela Banca Examinadora composta pelos membros:

Prof. Dr. Hernani Mota de Lima (Orientador /UFOP)

Prof. Dr. Jos Aurlio Medeiros da Luz (Membro - UFOP)

Prof. Dr. Terezinha de Jesus Espsito Barbosa (Membro - UFMG)

iii

Aos meus pais, com amor, admirao e gratido

por seu carinho, compreenso, e incansvel apoio

ao longo do perodo de elaborao deste trabalho.

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus pela proteo e presena constante em minha vida.

A minha grande me Genoveva, aos meus queridos pais Ofelia e Jorge, e a minha irm

Alejandra, quem sempre me demonstraram seu amor, compreenso, incentivo e apoio.

A Universidade Federal de Ouro Preto UFOP, Escola de Minas e ao Ncleo de

Geotecnia pela oportunidade de me desenvolver profissional e pessoalmente.

Ao Prof. Hernani Mota de Lima, pela orientao deste trabalho, pelo incentivo e sempre

amigo, pelas contribuies e pelo apoio incondicional ao longo da elaborao desta

dissertao.

Ao Prof. Eleonardo Lucas Pereira, pela coorientao, pela amizade, pelos ensinamentos

oportunos, pela cordialidade e simpatia demonstradas, pela acessibilidade em esclarecer

as minhas dvidas.

A todos os professores do Programa de Ps-graduao em Geotecnia da Universidade

Federal de Ouro Preto UFOP, pelo conhecimento adquirido em especial aos pilares

Prof. Romero Csar Gomes, Prof. Frederico Garcia Sobreira e o Prof. Rodrigo Peluci de

Figueiredo.

Aos meus colegas e amigos de mestrado, pela amizade e agradvel convivncia, em

especial ao Leonardo, Rodrigo e Ivan por aqueles momentos memorveis depois das

aulas.

A minha me preta, Iraci, quem sempre me mostrou sua amizade e preocupao do meu

bem-estar em todo momento na minha estadia em Ouro Preto.

Aos meus amigos da secretaria, Jussara, Viviane e Rafael, pela amizade, colaborao e

torcida.

v

Aos meus amigos conquistados aqui em Ouro Preto, com aqueles que formamos a

Repblica do Peru e com outros as Naes Unidas, quem facilitaram e alegraram a

minha estadia.

Ao Laboratrio de Tratamento de Minrios do Departamento de Engenharia de Minas, e

ao meu orientador por providenciar o apoio tcnico e uso de materiais em todo

momento.

Ao Laboratrio de Propriedades Interfaciais do Departamento de Engenharia de Minas,

e Coordenadora Prof. Rosa Malena Fernades Lima, pela autorizao do uso do

equipamento necessrio.

Ao Laboratrio de Geoqumica Ambiental do Departamento de Engenharia Geolgica,

e ao Coordenador Prof. Hermnio Arias Nalini, por disponibilizar os recursos para a

anlise qumica necessria para este trabalho.

FAPEMIG, pelo financiamento deste trabalho.

A todos que contriburam diretamente ou indiretamente na realizao deste trabalho.

vi

Voc nunca sabe que resultados viro da sua ao.

Mas se voc no fizer nada, no existiro resultados.

Mahatma Gandhi

vii

RESUMO

Pilhas de estril em minerao so formadas pela disposio de material estril,

conforme a norma, para garantir a estabilidade em longo prazo. Geralmente, na fase de

projeto os parmetros de resistncia obtidos em laboratrio correspondem a faixas

granulomtricas diferentes daquelas do estril disposto nas pilhas. Portanto, faz-se

necessrio determinar o efeito de escala granulomtrica nos parmetros de resistncia.

O objetivo principal desta dissertao estudar o comportamento do estril em funo

do efeito de escala granulomtrica e aferir as variaes nas suas propriedades

geotcnicas. Durante o programa experimental foram utilizadas amostras obtidas a

partir de ensaios de caracterizao fsica adequados s normas vigentes. A metodologia

adotada baseou-se no comportamento de um estril submetido ao cisalhamento direto e

sua relao com os parmetros de resistncia obtidos para vrias faixas granulomtricas.

Com base nesta investigao foram obtidas correlaes da granulometria com uma

compacidade relativa emprica, que ressaltam a influncia destes parmetros no valor do

ngulo de atrito deste estril. A concordncia e a reprodutibilidade dos resultados para

as amostras com granulometrias variadas, comprovam e aferem a qualidade das

moldagens propostas e realizadas. No obstante, evidente que uma reavaliao do

dimetro mximo dos gros a ser utilizado para uma determinada altura do CP

necessrio, o efeito do tamanho do gro durante o cisalhamento foi observado, cujas

amostras apresentaram expansibilidade durante o cisalhamento. O efeito de escala na

determinao do ngulo de atrito do estril foi evidente, a dependncia entre a

granulometria das amostras de estril e a resistncia ao cisalhamento do estril foi

percebida pela tendncia do decrscimo do ngulo de atrito com a reduo do dimetro

das suas partculas. Ressalta-se que para pilhas dimensionadas a partir de ensaios

realizados com granulometrias reduzidas quando comparadas quelas presentes em

campo o projeto caminha no sentido da segurana, pois se projetam estruturas baseadas

em parmetros conservadores. No obstante, a avaliao do efeito de escala pode

colaborar para minimizao das reas de disposio e, assim, em impactos ambientais

consideravelmente menores.

Palavras-chave: Resistncia ao Cisalhamento, Estril de Minerao, Granulometria.

viii

ABSTRACT

Waste rock dumps in a mining, are constructed by the disposal of waste rock material,

as the standard to ensure, especially, the stability of the pile in the long term. Generally,

in the design phase the strength parameters obtained in the laboratory correspond to

different particle sizes of those sterile disposed. Therefore, it is necessary to determine

the effect of particle size range in strength parameters. The main objective of this

dissertation is to study the waste rock behavior as a function of particle size scale effect

and measure the variations in their geotechnical properties. In implementing the

experimental program samples were used obtained from physical characterization tests

appropriate to current standards. The methodology adopted was based on the behavior

of a waste rock sample subjected to direct shear and its relation to the strength

parameters obtained for various particle sizes. Based on this research were obtained

from particle size correlations with relative compactness known empirically that

highlight the influence of these parameters on the value of the friction angle of the

waste rock. The execution of shear tests for determining the resistance parameters,

showed a consistent tool when applied to granular waste rock. The agreement and the

reproducibility of the results for the different specimen with different grain sizes attest

and certify the quality of impressions and proposals made. However, it is clear that a

revaluation of the maximum grain diameter to be used for a given height of the

specimen is required, the effect of grain size during the shear was observed, whose

specimen showed expansion during shearing. The scale effect in determining the waste

rock friction angle was evident the dependence between particle size of the waste rock

specimen and waste rock shear resistance was realized by decreasing the tendency of

the friction angle with the reduced diameter of its particles. It is noteworthy that for

waste rock dumps designed considering reduced particle size compared to those

particles in the field present the project moves towards safety because protrude in

conservative parameters based structures. However, the scale effect evaluation can

contribute to the minimization of disposal sites and, therefore, in significantly less

environmental impact.

Keywords: Shear Strength, Mine waste rock, Particle size.

ix

RESUMEN

Los botaderos de desmonte en minera, son formados por la disposicin de material estril, de acuerdo a norma para garantir la estabilidad a largo plazo. En general, en la etapa de planeamiento los parmetros de resistencia obtenidos en laboratorio corresponden a rangos granulomtricos diferentes al material estril dispuesto en los depsitos. Por lo tanto, es necesario determinar el efecto escala granulomtrica en los parmetros de resistencia. El objetivo principal de esta disertacin es estudiar el comportamiento del estril en funcin del efecto escala granulomtrica y corroborar las variaciones en las propiedades geotcnicas. Durante el programa experimental fue utilizado muestras obtenidas a partir de ensayos de caracterizacin fsica de acuerdo a las normas vigentes. La metodologa adoptada esta sustentada en el comportamiento del estril bajo cizallamiento y su relacin con los parmetros de resistencia obtenidos para varios rangos granulomtricos. Con este sustento en esta investigacin fueron obtenidas correlaciones de la granulometria con una compacidad relativa conocida empricamente, destacando la influencia de estos parmetros en el valor del ngulo de friccin de este estril. La ejecucin de los ensayos de cizallamiento, para la determinacin de los parmetros de resistencia de los estriles mostro ser una herramienta consistente, cuando es aplicada en estriles granulares. La concordancia y la reproductibilidad de los resultados para las diferentes muestras, con granulometras variadas, certifican y comprueban la calidad de las molduras propuestas y formuladas. Por otro lado, es evidente que una nueva evaluacin del dimetro mximo de los granos a ser utilizado para una determinada altura del cuerpo de prueba es necesaria, el efecto del tamao de los granos durante el cizallamiento fue observado, cuyas muestras presentaron expansibilidad durante el cizallamiento. El efecto escala en la determinacin del ngulo de friccin del estril fue evidente, la dependencia entre la granulometra de las muestras de estril y la resistencia al cizallamiento del estril fue observada por la tendencia de la disminucin del ngulo de friccin con la reduccin del dimetro de sus partculas. Se resalta que para los depsitos dimensionados a partir de los ensayos realizados con granulometras reducidas, cuando son comparadas con las ofrecidas en campo, el proyecto sigue la direccin de seguridad, pues se proyectan estructuras basadas en parmetros conservadores. Sin embargo, la evaluacin del efecto escala puede contribuir para minimizar las reas de disposicin y, consecuentemente, en los impactos ambientales significativamente menores. Palabras clave: Resistencia al Cizallamiento, Estril de Mina, Granulometria.

x

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ............................................................................................... iv RESUMO .................................................................................................................. vii ABSTRACT ............................................................................................................. viii RESUMEN ................................................................................................................. ix SUMRIO ................................................................................................................... x LISTA DE FIGURAS .............................................................................................. xiii LISTA DE TABELAS.............................................................................................. xvi LISTA DE ABREVIATURA E NOMENCLATURAS ......................................... xvii LISTA DE SMBOLOS ......................................................................................... xviii

CAPTULO 1 .............................................................................................................. 1

INTRODUO .................................................................................................................................... 1 1.1 CONTEXTO GERAL ............................................................................................................... 1 1.2 OBJETIVOS DA DISSERTAO ........................................................................................... 3 1.3 ESTRUTURA E ORGANIZAO DA DISSERTAO ......................................................... 4

CAPTULO 2 .............................................................................................................. 6

PILHAS DE ESTRIL ......................................................................................................................... 6 2.1 INTRODUO ........................................................................................................................ 6 2.2 ASPECTOS GEOLGICOS DO QUADRILTERO FERRFERO DE MINAS GERAIS ........ 6 2.3 ESTREIS DE MINRIO DE FERRO DO QUADRILTERO FERRFERO DE MINAS GERAIS .......................................................................................................................................... 10 2.4 ASPECTOS GERAIS DE UMA PILHA DE ESTRIL ........................................................... 11

2.4.1 Planejamento ............................................................................................................ 11 2.4.2 Construo de Pilha de Estril ................................................................................... 13

Preparao da Fundao .......................................................................................................... 13 Controle da gua Superficial .................................................................................................. 14 Operao da Pilha ................................................................................................................... 15 Interao entre Projeto e Construo ....................................................................................... 16

2.4.3 Classificao de Pilhas de Estril ............................................................................... 17 Geral ...................................................................................................................................... 17 Configurao da pilha ............................................................................................................. 18 Inclinao do talude de fundao e grau de confinamento ........................................................ 19 Tipo de fundao .................................................................................................................... 19 Qualidade do material da pilha ................................................................................................ 19

xi

Mtodo de construo ............................................................................................................. 19 Condies Hidrogeolgicas ..................................................................................................... 20 Taxa de Disposio ................................................................................................................. 20 Sismicidade ............................................................................................................................ 20

2.4.4 Fechamento de Pilhas de Estril ................................................................................ 21 2.5 METODOLOGIAS DE DISPOSIO E CO-DISPOSIO DE ESTRIL ............................ 21

2.5.1 Disposio de Pilhas de Estril ............................................................................................ 22 Pilha executada pelo Mtodo Ascendente ................................................................................ 22 Pilha executada pelo Mtodo Descendente .............................................................................. 24

2.5.2 Co-Disposio de Pilhas de Estril ...................................................................................... 26

CAPTULO 3 ............................................................................................................ 27

COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRANULARES ...................................................................... 27 3.1 INTRODUO ...................................................................................................................... 27 3.2 RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS GRANULARES ................................. 28

3.2.1 Critrios de Ruptura de Critrio de Ruptura Mohr-Coulomb....................................... 32 3.3 FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRANULARES ... 34

3.3.1 Caractersticas dos Gros em Termos de Distribuio Granulomtrica........................ 35 3.3.2 Caractersticas dos Gros em Termos de Distribuio Granulomtrica........................ 36

Dimetro efetivo ( ) ........................................................................................................... 37 Coeficiente de uniformidade ( ) ........................................................................................... 37 Coeficiente de curvatura ( ) .................................................................................................. 37

3.3.3 ndice de Vazios, Compacidade e Arranjo Estrutural .................................................. 39 3.3.4 Ensaios de Cisalhamento Direto ................................................................................ 44

Ensaio Convencional de Cisalhamento .................................................................................... 45 Equipamento Clssico ............................................................................................................. 45 Velocidade de Cisalhamento dos Corpos de Prova ................................................................... 47

CAPTULO 4 ............................................................................................................ 50

PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 50 4.1 INTRODUO ...................................................................................................................... 50 4.2 AMOSTRAGEM DO ESTRIL DE MINRIO DE FERRO ................................................... 51

4.2.1 Caracterizao do Estril da Pilha de Estril da Mina em estudo................................. 51 4.2.2 Processo de obteno e preparao das amostras ........................................................ 52

Obteno das amostras ............................................................................................................ 53 Preparao das amostras.......................................................................................................... 54

4.3 CARACTERIZAO QUMICA DO ESTRIL .................................................................... 55 4.3.1 Anlise Qumica........................................................................................................ 56

xii

4.4 CARACTERIZAO GEOTCNICA DAS AMOSTRAS DE ESTRIL ............................... 59 4.4.1 Cominuio da amostra de estril, identificao e construo das curvas granulomtricas .... 59 4.4.2 Determinao da massa especfica dos gros .............................................................. 65 4.4.3 Determinao dos ndices de vazios limites................................................................ 66

4.6 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA A DETERMINAO DOSPARMETROS DE RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DO ESTRIL .................................................................... 68

4.6.1 Equipamento de cisalhamento direto automatizado convencional ............................... 69 4.6.2 Equipamento de cisalhamento direto automatizado de grande porte ............................ 70

4.6 DETERMINAO DOS PARMETROS DE RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DO ESTRIL ......................................................................................................................................... 72

4.6.1 Preparao dos Corpos de Prova ................................................................................ 72 Areia seca Geral ................................................................................................................... 72 Areia seca Densa .................................................................................................................. 73 Areia seca Fofa .................................................................................................................... 73 Areia seca Densidade mdia ................................................................................................. 73 Areia Saturada ........................................................................................................................ 74

4.6.2 Determinao da velocidade de cisalhamento dos corpos de prova ............................. 74 4.6.3 Curvas obtidas nos ensaios de cisalhamento direto ..................................................... 75

CAPTULO 5 ............................................................................................................ 83

ANLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................................ 83 5.1 INTRODUO ...................................................................................................................... 83 5.2 CARACTERIZAO DO ESTRIL DE MINRIO DE FERRO ........................................... 84

5.2.1 Granulometria ........................................................................................................... 84 5.2.2 ndice de Vazios ........................................................................................................ 85

5.3 PARMETROS DE RESISTNCIA DO ESTRIL DE MINRIO DE FERRO ..................... 86 5.3.1 ngulo de atrito efetivo (') ....................................................................................... 86 5.3.2 Relao entre Granulometria e ngulo de Atrito ........................................................ 91

Influncia da escala nos parmetros de resistncia ao cisalhamento .......................................... 91 Relao entre tamanhos dos gros e ngulo de atrito ................................................................ 94

CAPTULO 6 .......................................................................................................... 102

CONCLUSES E SUGESTES PARA PESQUISAS FUTURAS ................................................. 102 6.1 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................ 102 6.2 CONCLUSES .................................................................................................................... 103 6.3 SUGESTES PARA PESQUISAS FUTURAS ..................................................................... 104

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................... 106

xiii

LISTA DE FIGURAS

CAPTULO 2 .............................................................................................................. 6

PILHAS DE ESTRIL ......................................................................................................................... 6

Figura 2.1: Mapa Geolgico do Quadriltero Ferrfero (ALKMIN & MARSHAK, 1998, modificado de

DORR, 1969). ........................................................................................................................................ 8

Figura 2.2: Coluna Estratigrfica do Quadriltero Ferrfero (modificado de ALKMIN & MARSHAK,

1998)...................................................................................................................................................... 9

Figura 2.3: Progresso executivo de uma pilha de estril (PETRONILHO, 2010) .................................... 13

Figura 2.4: Tipos de pilhas de estril (BCMWRPRC, 1991) .................................................................. 18

Figura 2.5: Construo de uma pilha de estril pelo mtodo ascendente (FREITAS, 2004) ..................... 22

Figura 2.6: Retaludamento da face do banco em conformao ao projeto geotcnico da Pilha (FREITAS,

2004).................................................................................................................................................... 23

Figura 2.7: Construo de uma pilha de estril pelo mtodo descendente (FREITAS, 2004) ................... 24

Figura 2.8: Tcnica de empilhamento por stacker .................................................................................. 25

CAPTULO 3 ............................................................................................................ 27

COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRANULARES ...................................................................... 27

Figura 3.1: Componente da resistncia ao cisalhamento de solos granulares (modificado de ROWE,

1962).................................................................................................................................................... 30

Figura 3.2: Envoltria de Mohr-Coulomb em termos de tenses efetivas (LAMBE & WHITMAN, 1969)

............................................................................................................................................................ 32

Figura 3.3: Envoltria de Mohr-Coulomb para mistura areia-pedregulho (HOLTZ e GIBBS, 1956 citado

por LAMBE &WHITMAN, 1969). ....................................................................................................... 33

Figura 3.4: Aproximaes lineares envoltria curva de Mohr, com a aproximao de duas linhas e com

a aproximao de uma linha (LAMBE & WHITMAN, 1969). ............................................................... 34

Figura 3.5: Definio de D , D e D (DAS, 2007). .......................................................................... 37

Figura 3.6: Diferentes tipos de curvas de distribuio granulomtrica (DAS, 2007)................................ 38

Figura 3.7: Variao de e e e (para areia de Nevada 50/80) com porcentagem de finos no-

plsticos. (Reproduzido de LADE et al., 1988 citado por DAS, 2007) .................................................... 40

Figura 3.8: Curvas tpicas de tenso-deformao para areias fofas e compactas. ..................................... 42

Figura 3.9: Equipamento tpico de Cisalhamento Direto para amostras de 60 x 60 mm ou 100 x 100 mm

............................................................................................................................................................ 46

Figura 3.10: Arranjo do Equipamento Convencional 60 milmetros com controle de deslocamento

(HEAD, 1994) ...................................................................................................................................... 46

Figura 3.11: Variao do adensamento com a raiz quadrada do tempo (HEAD, 1994) ............................ 48

Figura 3.12: Variao do adensamento e consolidao completa (HEAD, 1994) .................................... 49

xiv

CAPTULO 4 ............................................................................................................ 50

PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 50

Figura 4.1: Vista de uma pilha de estril do Quadriltero Ferrfero de Minas Gerais............................... 54

Figura 4.2: Quarteador mecnico para obteno das amostras representativas do estril ......................... 55

Figura 4.3: Espectrmetro de Emisso ptica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP OES) marca

Spectro Ciros modelo CCD do Laboratrio de Geoqumica Ambiental do Departamento de Geologia da

UFOP ................................................................................................................................................... 57

Figura 4.4: Representao esquemtica dos componentes do Espectrofotmetro de Emisso ptica com

Plasma Acoplado Indutivamente ........................................................................................................... 58

Figura 4.5: Curva granulomtrica do estril obtido em campo ............................................................... 60

Figura 4.6: Vista do britador de mandbulas .......................................................................................... 61

Figura 4.7: Vista do britador de rolos .................................................................................................... 61

Figura 4.8: Vista do moinho com carga de bolas ................................................................................... 62

Figura 4.9: Curvas granulomtricas das amostras de estril estruturadas artificialmente ......................... 63

Figura 4.10: Curva de calibrao do tempo mnimo de vibrao ............................................................ 67

Figura 4.11: Detalhes do equipamento de cisalhamento direto convencional compacto .......................... 69

Figura 4.12: Vista do equipamento de cisalhamento direto convencional compacto ................................ 70

Figura 4.13: Vista do equipamento de cisalhamento direto de grande porte automatizado....................... 71

Figura 4.14: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-00) -CSC-GP 150kN ................... 76

Figura 4.15: Curva desloc. vertical versus desloc. horizontal (EMF-00) - CSC-GP 150kN ..................... 76

Figura 4.16: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-01) - CSC-GP 150KN.................. 77

Figura 4.17: Curva desloc. vertical versus desloc. horizontal (EMF-01)- CSC-GP 150kN ...................... 77

Figura 4.18: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-02)- CSC-GP 150kN ................... 78


Figura 4.20: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-03)- CSC-GP 150kN ................... 79


Figura 4.22: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-01) -CSC-1000 ............................ 80

Figura 4.23: Curva desloc. vertical versus desloc. horizontal (EMF-01) - CSC-1000 .............................. 80

Figura 4.24: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-02) - CSC-1000 ........................... 81


Figura 4.26: Curva tenso cisalhante versus desloc. horizontal (EMF-03) - CSC-1000 ........................... 82


xv

CAPTULO 5 ............................................................................................................ 83

ANLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................................ 83

Figura 5.1: Curva Tenso cisalhante versus tenso normal (EFM-00) CSC-GP 150kN ........................... 88

Figura 5.2: Curva Tenso cisalhante versus tenso normal (EFM-01) (a) CSC-GP 150kN e (b) CSC-1000

............................................................................................................................................................ 88


............................................................................................................................................................ 89


............................................................................................................................................................ 89

Figura 5.5 (a): Correlao entre D10 e o ngulo de atrito das quatro amostras CSC-GP 150kN............ 95

Figura 5.5 (b): Correlao entre D10 e o ngulo de atrito das quatro amostras CSC-1000 .................... 95









Figura 5.10: (a) Estado flutuante: matriz de partculas finas; (b) Estado no-flutuante: partculas finas

ocupando vazios das partculas grossas ............................................................................................... 100

xvi

LISTA DE TABELAS

CAPTULO 3 ............................................................................................................ 27

COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRANULARES ...................................................................... 27

Tabela 3.1: Descrio Qualitativa de Depsitos de Solo Granular .......................................................... 41

CAPTULO 4 ............................................................................................................ 50

PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 50 Tabela 4.1: Composio Qumica do Estril Analisado.......................................................................... 58

Tabela 4.2: Percentagens mximas de impurezas na avaliao da qualidade do minrio de ferro. ............ 59

Tabela 4.3: Distribuio granulomtrica conforme a ABNT .................................................................. 64

Tabela 4.4: Distribuio granulomtrica conforme a ASTM. ................................................................. 64

Tabela 4.5: Valores da massa especfica dos gros (s) das amostras de estril ....................................... 66

Tabela 4.6: ndices de vazios mximo e mnimo das amostras de estril ................................................ 68

Tabela 4.7: Dados obtidos para o clculo da velocidade de cisalhamento ............................................... 75

CAPTULO 5 ............................................................................................................ 83

ANLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................................ 83

Tabela 5.1: Resumo das Caractersticas Granulomtricas das Amostras ................................................. 84

Tabela 5.2: Relao dos ndices de Vazios com a Compacidade ............................................................ 86

Tabela 5.3: Massas especficas secas de cada amostra para CR = 50% ................................................... 86

Tabela 5.4: Valores de ngulo de atrito efetivo (') ................................................................................ 90

Tabela 5.5: Valores de ngulos de atrito para gros de quartzo Terzaghi e Peck (1967), citado por Head

(1994) .................................................................................................................................................. 90

Tabela 5.6: Valores tpicos de ' para Solos Secos No Coesivos Lambe e Whitman (1979), citado por

Head (1994) ......................................................................................................................................... 90

Tabela 5.7: Dimetros mximos dos gros utilizados nos modelos CSC-GP 150kN e CSC-1000 ............ 93

xvii

LISTA DE ABREVIATURAS E NOMENCLATURAS

AASHTO American association of state highway and transportation officials

ABNT Associao brasileira de normas tcnicas

Al2O3 xido de alumnio

ASTM American society for testing and materials

BC British columbia

BCWPRC British columbia mine waste rock pile research committee

BIF Banded iron formations

CaO xido de Clcio

CCD Charge coupled device

CID Charge injection device

CP Corpo de prova

CR Compacidade relativa

CRM Certificate reference material

CSC-1000 Cisalhamento servo controlado convencional

CSC-GP-150 kN Cisalhamento servo controlado de grande porte

DNPM Departamento nacional de produo mineral

Fe Ferro

ICP OES Inductively coupled plasma optical emission spectrometry

MEV Microscopia Eletrnica de Varredura

MgO xido de magnsio

MnO xido de mangans

NBR Norma brasileira registrada

NRM Normas reguladoras de minerao

P Fsforo

P2O5 Pentxido de fsforo

PMT Photomultipliers

QF Quadriltero ferrfero

QFMG Quadriltero ferrfero de Minas Gerais

S Enxofre

SiO2 Dixido de silcio

TiO2 Dixido de titnio

xviii

LISTA DE SMBOLOS

c' Coeso efetiva

Coeficiente de consolidao

Coeficiente de curvatura

Coeficiente de uniformidade

CR Compacidade relativa

cm Centmetro

cm Centmetro quadrado

cm3 Centmetro cbico

D10 Dimetro equivalente para o qual passa 10% do material obtido da curva

granulomtrica (dimetro efetivo)


granulomtrica D50 Dimetro equivalente para o qual passa 50% do material obtido da curva

granulomtrica (dimetro mdio)


granulomtrica


granulomtrica

ndice de vazios

ndice de vazios mximo

ndice de vazios mnimo

ndice de vazios terico

Fc Teor de finos (frao menor que 0,075 mm)

g Gramas

H Espessura

H Altura maior

h Altura menor

h Hora

ID ndice de densidade

K Kelvin

km2 Quilmetro quadrado

kN Quilonewton

xix

kPa Quilopascal

m Metro

m2 Metro quadrado

m3 Metro cbico

m/s Metro cbico por segundo

Mg Megagramas

min Minuto

mm Milmetro

mm/min Milmetro por minutos

Ms Massa da areia necessria para encher o molde

nm Nanmetro

Pc Frao do tamanho da argila (

xx

d ngulo de atrito global

dr ngulo de atrito devido reorientao de partculas

resid ngulo de atrito residual

u ngulo de atrito entre partculas

Deformao

Tenso normal

1

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 CONTEXTO GERAL

Os depsitos controlados de estril ou comumente chamados de pilhas de estril, em

uma mina, so formados pela disposio de material estril, removido na operao de

lavra, para extrao do minrio. Segundo a NBR 13029 (ABNT, 2006), estril todo e

qualquer material no aproveitvel economicamente, cuja remoo se torna necessria

para a lavra do minrio. Em geral, a relao entre os volumes de estril gerados e

minrio denominado de relao estril/minrio, nomenclatura comumente utilizada

pela indstria mineradora.

Ao contrrio do minrio, que extrado e conduzido ao devido tratamento, o estril

segue outra rota e precisa ser descartado corretamente para garantir condies aceitveis

de segurana e meio ambiente. Isso significa que o estril gerado deve ser disposto em

pilhas, em local apropriado e gerar, em longo-prazo, o menor risco segurana e sade

da populao e o menor impacto ambiental possvel. No Brasil, a disposio de estril

em minerao normatizada segundo a NBR 13029 (ABNT, 2006).

O tipo de pilha depende principalmente da caracterizao do estril a ser armazenado.

Experincias acumuladas ao longo dos anos geralmente conduzem a adequada gesto da

disposio de estril de mina, cujas principais preocupaes consistem na garantia da

segurana e proteo ao meio ambiente. Juntamente com estas, so associadas as

variveis custo e caractersticas do estril.

2

Durante o planejamento de lavra, inclusive com o conhecimento antecipado da relao

estril/minrio econmico e global, bem como no sequenciamento de lavra, deve-se

projetar a capacidade das pilhas para que a mina possa garantir as opes seguras de

disposio final, todos os quais devem ser aprovados pelos estudos de impacto

ambiental da operao de mina pelas autoridades competentes. Este planejamento inclui

a caracterizao do estril e a concepo do modelo de pilha a ser adotado para o

armazenamento destes materiais. Estas pilhas so especialmente preparadas com

camadas de argila compactada para gerar confinamento impermevel do material

depositado, evitando, por exemplo, processos de lixiviao ocasionados pela ao da

gua ao longo do tempo. Desta maneira, alm das avaliaes de estabilidade da pilha,

tradicionalmente abordadas nos projetos, so garantidos tambm estudos associados aos

impactos ambientais e sociais do material disposto.

A concepo das pilhas de estril deve levar em conta tambm os custos, tanto de

armazenagem dos resduos, mas principalmente aqueles associados ao transporte.

Devem ser includos, por exemplo, estudos relacionados distncia de transporte do

estril originado na frente de lavra at a pilha, considerando a distncia mais curta

possvel para minimizar os custos de transporte de materiais. Alm disso, as etapas de

construo devem possuir uma configurao geotcnica estvel para suportar provveis

deslizamentos e condies extremas previsveis de exposio ambiental. necessrio

tomar medidas adequadas para evitar, se possvel, o contato com a gua e fluxos de

gua que podem comprometer a estabilidade fsica ou qumica do estril ao longo do

tempo. Portanto, torna-se fundamental assegurar que a construo da pilha de estril

satisfaa as especificaes de projeto aprovados pela autoridade competente, porque a

maioria das causas de insucesso destes depsitos so geralmente relacionados a desvios

durante a construo da mesma, como falta de controle da qualidade durante a

construo da mesma. Indiretamente, vo ao encontro reduo de custos, visto que

para remediar aquelas aes erradas necessrio muitas vezes dispor de recursos muito

maiores do que no projeto inicial.

A gesto de estreis deve, e o processo construtivo geralmente permite, incluir critrios

de fechamento parcial desde a fase de projeto, para que se tenha uma recuperao

3

progressiva, de forma a incluir os custos dessa recuperao nos custos operacionais da

mina. Do ponto de vista do fechamento, os elementos a serem controlados so,

essencialmente, a estabilidade fsica dos taludes dos bancos e da pilha como um todo, a

estabilidade geoqumica, com especial ateno gerao de drenagem cida de mina, as

estruturas de drenagem de guas superficiais e o impacto visual da configurao da

pilha.

A concepo, construo, operao e encerramento de pilhas de estril requerem o uso

de tecnologias que garantam, principalmente, a estabilidade em longo prazo. Entretanto,

na fase de projeto os parmetros de resistncia obtidos em laboratrio correspondem a

faixas granulomtricas diferentes daquelas do estril disposto nas pilhas. Portanto, faz-

se necessrio determinar o efeito de escala granulomtrica nos parmetros de

resistncia.

Particularmente para o estudo da estabilidade destas pilhas, em especial pilhas

localizadas no Quadriltero Ferrfero em Minas Gerais, tornam-se necessrias as

anlises e abordagens especficas sobre o comportamento geotcnico dos estreis,

tomando referncia a distribuio granulomtrica, a mineralogia dos materiais estreis,

e a influncia do efeito de escala granulomtrica na determinao dos parmetros de

resistncia.

1.2 OBJETIVOS DA DISSERTAO

O objetivo principal desta dissertao estudar o comportamento do estril em funo

do efeito de escala granulomtrica e aferir as variaes nas suas propriedades

geotcnicas. Assim, foram realizados ensaios para avaliar a influncia do tamanho dos

gros, associando o consecutivo efeito nos parmetros de resistncia do estril. Deste

modo, na execuo do programa experimental foram utilizadas amostras obtidas a partir

de ensaios de caracterizao fsica adequados s normas vigentes, com vistas a avaliar o

comportamento do estril em funo da granulometria.

4

A presente dissertao procurou estabelecer uma sistemtica geral de anlise, com a

implementao da metodologia de variao da granulometria para avaliao das

propriedades geotcnicas associadas, em especial, aos parmetros de resistncia de

estreis de mineiro de ferro do Quadriltero Ferrfero de Minas Gerais.

A metodologia baseada no comportamento de um estril submetido ao cisalhamento

direto e sua relao com os parmetros de resistncia obtidos para vrias faixas

granulomtricas. A presente dissertao procura contribuir com futuros projetos de

pilhas de estril no estabelecimento de critrios de projeto e de segurana, dada a

impossibilidade atual de ensaiar os diversos materiais estreis na granulometria que,

geralmente, so dispostos nas pilhas.

1.3 ESTRUTURA E ORGANIZAO DA DISSERTAO

O trabalho est estruturado em seis captulos, sendo o primeiro captulo introdutrio,

destacando as consideraes gerais associadas construo de uma pilha de estril em

minas de minrio de ferro. Este captulo apresenta ainda os objetivos pretendidos pela

dissertao com base no estudo do comportamento geotcnico de um estril oriundo do

Quadriltero Ferrfero de Minas Gerais.

O segundo captulo compreende uma reviso bibliogrfica sobre os principais assuntos

envolvidos na pesquisa. Dentre os assuntos, destacam-se algumas referncias geolgicas

da rea de estudo e a correlao com os estreis. Alm disso, so mostrados os tpicos

essenciais de projeto de depsitos controlados de estril ou comumente chamados de

pilhas de estril, com as metodologias normalmente aplicadas para disposio destes

resduos da indstria de minerao. Este captulo complementado com a apresentao

das metodologias de disposio de estril em pilhas, em conformidade com as Normas

Reguladoras para a Disposio de Estril, Rejeitos e Produtos, NBR 13029 (ABNT,

2006).

5

O terceiro captulo descreve basicamente o comportamento os materiais granulares a

partir da anlise do comportamento de solos arenosos. Este tipo de abordagem objetiva

mostrar os princpios de resistncia ao cisalhamento dos solos granulares e os fatores

que podem induzir na sua relevncia. Referncias sobre o comportamento dos solos

granulares so essenciais para uma melhor compreenso das particularidades do

material estril e sustentao das anlises propostas.

No quarto captulo exposto o esquema do trabalho em laboratrio, apresentando os

resultados dos ensaios realizados de acordo com os procedimentos normativos da

Associao Brasileira de Normas Tcnicas, para a caracterizao fsica do estril, onde

se objetivou a obteno das amostras nas diferentes granulomtricas mantendo sempre a

conformao da curva granulomtrica original. Ademais, so apresentados os resultados

dos ensaios de caracterizao qumica, alm dos resultados associados aos parmetros

de resistncia das amostras do estril.

No quinto captulo se desenvolve a anlise dos resultados obtidos no capitulo

precedente. A partir dos resultados obtidos para as diferentes faixas granulomtricas e

respectivos parmetros geotcnicos, se investigou a influncia da escala nos parmetros

de resistncia ao cisalhamento e a relao entre os tamanhos dos gros e ngulo de

atrito.

Finalmente, o sexto captulo apresenta as concluses gerais deste trabalho, algumas

sugestes e recomendaes para as prximas pesquisas. Essa dissertao encerra-se com

a lista de referncias bibliogrficas.

6

CAPTULO 2

PILHAS DE ESTRIL

Neste captulo, apresentam-se os principais tpicos de projeto para depsitos

controlados de estril ou, como comumente chamados, pilhas de estril, bem como as

metodologias comumente utilizadas para disposio destes materiais, de acordo com as

especificaes vigentes e recomendaes tcnicas.

2.1 INTRODUO

Pilhas de estril so estruturas formadas na mina pela disposio do estril,

necessariamente, removido de uma cava para liberao/extrao do minrio. Estril de

mina algo que se gostaria de evitar a manipulao, pois um item de custo. Como um

item de custo significativo, exige gesto e planejamento. Se a remoo, transporte e

disposio do material estril de uma mina no forem tratados de forma responsvel

pode gerar impactos de ordem econmica, ambiental e social. Portanto, no

planejamento de uma mina, pilhas de estril devem ser tratadas de forma responsvel,

segura, econmica e ambientalmente satisfatria (COUZENS, 1985).

2.2 ASPECTOS GEOLGICOS DO QUADRILTERO FERRFERO DE MINAS GERAIS

O Quadriltero Ferrfero est situado no limite sul do Crton So Francisco e

composto basicamente por rochas arqueanas, Supergrupo Rio das Velhas, e

proterozicas, Supergrupos Minas e Espinhao (DORR, 1969). O minrio de ferro

7

encontra-se alojado em formaes ferrferas bandadas (Banded Iron Formations -

BIFs), a maior fonte de ferro, e elas correspondem a rochas peculiares tais como

itabiritos. A sigla BIF uma terminologia internacionalmente usada para caracterizar

sedimentos e metassedimentos qumicos do Pr-Cmbrico finamente bandados

constitudos por alternncia de chert, tipo de rocha composta principalmente de slica,

ou quartzo e xidos de ferro (JAMES, 1954). A principal fase de formao de grandes

depsitos de BIF se deu na Era do Paleoproterozico (GROSS, 1980).

O Quadriltero Ferrfero de Minas Gerais ocupa uma rea aproximada de 7.000 km2 na

poro central do estado de Minas Gerais e considerado uma das mais importantes

provncias minerais do Brasil devido as suas jazidas de minrios de ouro, ferro,

mangans, bauxita e pedras preciosas tais como topzio imperial. O Quadriltero

Ferrfero apresenta uma longa evoluo geolgica, abarcando unidades

litoestratigrficas, cujo tempo geolgico prolonga-se desde o Arqueano ao Proterozico

Superior (SILVA et al., 1994). A figura 3.2 mostra a coluna estratigrfica tpica da

regio do Quadriltero Ferrfero.

Os depsitos minerais ferrferos so formados por meio de grandes acumulaes de

idade pr-cambriana, e so as principais fontes de minrio de ferro no Brasil, tal o

caso do estado de Minas Gerais (Quadriltero Ferrfero). Os depsitos minerais

ferrferos podem, ainda, acontecer em pequenas quantidades em muitas rochas gneas e

metamrficas (SPIER et al., 2006). A Figura 2.1 apresenta o Mapa Geolgico do

Quadriltero Ferrfero.

No Quadriltero Ferrfero, os minrios que esto relacionados Formao Cau

(Supergrupo Minas) so divididos em duas categorias bsicas: minrio hemattico de

alto grau e minrio itabirtico (DORR, 1965; ROSIRE e CHEMALE Jr., 2001). A

hematita macia um tipo prprio de minrio de ferro de alto grau que contm

caractersticas qumicas e fsicas singulares, alto teor em ferro, baixo teor de slica e

textura macia, que permitem que esse minrio seja usado como granulado (lump ore)

nos processos de obteno do ferro via reduo direta. A hematita macia pode se

apresentar na forma macia, laminada ou bandada.

8

Figura 2.1: Mapa Geolgico do Quadriltero Ferrfero (ALKMIN & MARSHAK, 1998, modificado de DORR, 1969).

Estas formaes ferrferas suportaram ao longo de sua evoluo geolgica, alm de

alteraes mineralgicas, fortes modificaes texturais entre as quais o

desenvolvimento de uma orientao preferencial morfolgica e cristalogrfica de seus

constituintes minerais que possibilitaram o xido preeminente de ferro, hematita,

ocorrer sob diferentes formas: hematita macia, hematita especulartica, hematita

marttica e hematita porosa, todas originadas em diferentes geraes e com clara relao

com o grau de deformao e metamorfismo. Segundo Rosiri (2003), os depsitos de

minrio de ferro esto situados no Domnio de Baixa Deformao Oeste do

Quadriltero Ferrfero, estando muito deles na borda leste do Sinclinal Moeda.

Segundo Rosire e Chemale (2001), o Grupo Itabira composto um conjunto de

formaes ferrferas metamrficas de itabiritos, dolomitos ferruginosos e filitos

hematticos. Esses minrios, denominados itabiritos, podem ser classificados em

friveis, compactos e semi-compactos. Os Itabiritos Friveis so profundamente

intemperizados, consistindo de massas moles de xidos de ferro finamente granulados,

9

predominantemente hematita e martita e, em menor quantidade, limonita/goethita; os

Itabiritos Compactos so formados de bandas alternadas de magnetita/hematita e

quartzo, localmente com nveis de especularita; e os Itabiritos Semi-compactos so

itabiritos levemente intemperizados consistindo de magnetita, martita e hematita,

intercalados com slica e minerais silicatados.

Figura 2.2: Coluna Estratigrfica do Quadriltero Ferrfero (modificado de ALKMIN & MARSHAK, 1998)

10

2.3 ESTREIS DE MINRIO DE FERRO DO QUADRILTERO

FERRFERO DE MINAS GERAIS

No Quadriltero Ferrfero de Minas Gerais, a maior parte das minas de minrio de ferro

pertencem Vale, a maior mineradora do Brasil e a maior produtora de mineiro de ferro

do mundo. Dentre os materiais lavrados evidenciam-se os itabiritos e hematitas da

Formao Cau, os quartzitos ferruginosos da Formao Cercadinho, os quartzitos da

formao Moeda e os dolomitos da Formao Gandarela (SILVA et al., 1994). Nas

pilhas de estril, so estocados todos os resduos extrados in natura de dentro da cava.

Em Minas Gerais, o procedimento geralmente praticado consiste no encaminhamento

do estril lavrado na cava para locais apropriados de disposio. Os estreis,

geralmente, se dividem em dois tipos: o estril franco e o estril de formao ferrfera.

Estril franco refere-se ao material escavado que no contm ferro em sua constituio e

cuja extrao necessria para que a cava possua uma conformao adequada

produo. Os estreis predominantes so filitos, quartzitos, xistos e dolomitos, formados

prximos das formaes ferrferas. O segundo tipo se refere ao minrio de ferro que

possui baixos teores de ferro e/ou altos teores de contaminantes (fsforo, alumina,

mangans, etc). Este ltimo o que ser reutilizado nos ensaios laboratoriais.

No passado, o estril removido nos trabalhos de lavra era simplesmente basculado em

pontas de aterro, formando bota-fora em condies hoje entendidas como precrias.

Dcadas atrs, iniciou-se a disposio controlada e planejada de pilhas de estril.

Atualmente, as empresas mineradoras adotam uma boa prtica, planejando suas pilhas

de forma adequada. Todas as pilhas so planejadas com antecedncia, sendo que os

projetos so feitos por empresas de consultoria e acompanhados e revisados por uma

equipe tcnica. Durante sua construo, a pilha monitorada por instrumentao e

pelos tcnicos. Mesmo aps o fechamento, as pilhas continuam sendo rigorosamente

vistoriadas.

11

2.4 ASPECTOS GERAIS DE UMA PILHA DE ESTRIL

As atividades relacionadas gesto de pilhas de estril envolvem basicamente o

planejamento, a construo, monitoramento e manuteno e a recuperao das reas

impactadas pelas pilhas. Tais atividades so desenvolvidas conjuntamente com a

operao de mina, sendo a geotecnia de grande importncia em todas as etapas, em

especial a que antecede a construo da pilha.

2.4.1 Planejamento

O planejamento de uma pilha de estreis geralmente no to abrangente ou to

detalhado como o planejamento de lavra. Isso natural, porque o objetivo principal da

mina produzir o melhor resultado possvel de minrio a ser processado. O

planejamento de pilhas de estreis ainda tem menor importncia. Uma inadequada

gesto de pilhas dos estreis pode significar a diferena entre lucro e prejuzo

(COUZENS, 1985).

Cada pilha de estril nica em material que a constitui, local de disposio e projeto

visto que condies especficas podem ditar um nmero significativo de investigaes

geotcnicas e condicionantes de projeto. Comumente, as investigaes especficas para

disposio de estril no so realizadas durante a fase inicial de abertura de uma mina,

mas informaes bsicas coletadas na fase de explorao, como topografia, geologia,

hidrologia, clima e outros podem ser avaliadas e utilizadas na fase de planejamento

(EATON et al., 2005 citado por ARAGO, 2008).

Segundo Welsh (1985), a aquisio de informaes detalhadas sobre os lugares

possveis para disposio do estril de forma a obter um reconhecimento prvio de

dados referentes geologia, topografia, vegetao, hidrologia, clima e possveis

informaes arqueolgicas, como tambm projetos de interesse ou publicaes

importantes com dados e imagens significativos, so etapas compreendidas na fase de

pr-viabilidade. Ademais, tambm so definidos os dados bsicos sobre a disposio do

12

estril, como a origem, a quantidade, o tipo do material, e os mtodos sugeridos para

manejo e disposio.

A escolha do lugar para construo de uma pilha de estril deve ser criteriosa e objetiva,

e deve envolver algumas consideraes de ordem tcnica, ambiental e econmica. Esses

fatores devem, em primeiro lugar, ser analisados diferenciadamente, para logo serem

avaliados em conjunto, a fim de se determinar um lugar, onde os impactos ambientais

sejam minimizados, e os objetivos econmicos e tcnicos sejam maximizados. Por outro

lado, esses fatores so inter-relacionados, e a importncia de um depende

essencialmente da qualidade de estudo que se perfilhou na avaliao dos demais

(BOHNET, 1985).

Segundo Eaton et al., (2005) citado por Arago (2008), as ltimas fases do

planejamento so a fase de viabilidade e o projeto preliminar. Na primeira so

conduzidos estudos para o projeto preliminar, alm de tratar de questes especficas

esboadas no estgio anterior, submetidas ao rgo ambiental. Nesta fase, realizam-se

investigaes de campo para obter uma melhor avaliao das condies do local e sua

adequabilidade, alm de se determinar as caractersticas do material de fundao

(resistncia ao cisalhamento, durabilidade, composio qumica) e de materiais que vo

compor a pilha.

Planos preliminares para a disposio de estril, avaliaes das condicionantes

ambientais, impactos potenciais, estratgias de mitigao destes impactos e parmetros

de projeto para que possa ser submetido avaliao dos rgos competentes, devem

estar pormenorizados no projeto preliminar, e quando concludo, deve ser apresentado

ao rgo ambiental para o consentimento da licena. Caso alguns problemas sejam

observados, a licena no outorgada at que sejam resolvidos mediante apresentao

de estudos para a complementao do mesmo e passar a seguinte fase.

Finalmente, a ltima fase de desenvolvimento do projeto executivo consiste no

detalhamento das caractersticas da pilha, desde suas particularidades geomtricas,

passando pelo dimensionamento da drenagem interna e superficial at a proteo final

das bermas e o acabamento paisagstico, conforme destaca a NBR 13029 (ABNT,

13

2006). A anlise da estabilidade da pilha um ponto determinante e fundamenta-se em

informaes adquiridas no decorrer dos estudos preliminares. So avaliadas vrias

hipteses de ruptura para as diversas situaes das pilhas, sob diferentes condies

hidrogeolgicas. Desde o ponto de vista tcnico, a estabilidade deve ser sempre

assegurada ao longo de todas das fases de vida de uma pilha de estril.

2.4.2 Construo de Pilha de Estril

Depois da fase de planejamento, passa-se para a construo, que deve ser estabelecida

em ordem criteriosa e sequencial (Figura 2.3), abarcando aspectos tais como a

preparao da fundao; o controle das guas superficiais e a metodologia construtiva.

Figura 2.3: Progresso executivo de uma pilha de estril (PETRONILHO, 2010)

Preparao da Fundao

As abordagens de fundaes previstas e detalhadas a seguir devem ser efetuadas

medida em que a pilha seja construda, para que no se exponha toda a rea, no caso de

ngulos globais muito altos, aos efeitos do desgaste em geral por causa do

intemperismo:

14

Supresso da vegetao, com retirada da massa vegetal, sem o procedimento de

limpeza do solo atravs da retirada dos tocos ou restos de rvores (queimadas ou

cortadas) destocamento generalizado, ocorrendo tal necessidade somente nos

espaldares do dreno principal;

Limpeza de materiais inconsistentes casualmente localizados no fundo do vale,

como madeiras etc., quando acontecerem abaixo de drenos, com retirada para

fora da rea ou retidos no interior de zonas resistentes da pilha;

Limpeza da cobertura vegetal, caso a pilha seja construda numa extenso de

floresta densa ou mata (ABNT, 2006).

Segundo Eaton et al., (2005), os drenos de areia e/ou pedregulhos podem se caracterizar

como uma possibilidade executvel nos casos de reas com nascentes (surgncias

naturais) ou solos midos, conduzindo as guas para uma valeta ou vala coletora. Os

drenos de fundo podem se constituir de colches ou valas preenchidas de pedregulhos e,

no caso de grandes vazes, tubos perfurados podem ser instalados no ncleo destes

objetos de capacidade drenante. De qualquer maneira, os benefcios e a performance dos

drenos devem ser sempre avaliados, sempre que possvel, monitorados constantemente.

Controle da gua Superficial

De acordo com as caractersticas prprias da rea onde se encontra instalada a pilha, o

sistema de drenagem superficial ocorre por meio de canais perifricos, em sequncia, a

para interceptao das guas pluviais provenientes das vizinhanas externas da pilha e o

redirecionamento dessas guas para um sistema extravassor final ao p da pilha.

Segundo McCarter (1990), as pilhas de estreis geralmente ocupam grandes reas e

certos cuidados precisam ser estabelecidos no sentido do controle da gua superficial. A

gua superficial deve ser conduzida de modo a impedir a saturao dos taludes

descobertos, de forma a evitar seriamente o desenvolvimento de superfcie fretica

dentro da pilha, para preservar a estrutura contra a perda de finos por piping (fenmeno

que acontece quando a presena do lenol fretico interceptada pela vooroca,

15

induzindo ao aparecimento de surgncias de gua), alm de minimizar eroses

superficiais que, em estgios avanados, podem mobilizar ou induzir mecanismos de

ruptura ao longo das superfcies dos taludes.

A gua superficial que se origina da precipitao ou de outras procedncias deve ser

coletada e direcionada para canais de escoamento ao redor da estrutura, ou conduzida

por drenagem interna. Desvios da gua superficial so geralmente factveis em pilhas

construdas em encostas ou em extenses planas, mas dificultoso de serem ajuntados

no caso de pilhas em vales fechados e curtos e aterros que cruzam vales extensos. A

plataforma de disposio da pilha deve ter um caimento de 1 a 2%, a partir da sua crista,

de maneira a direcionar a gua coletada para uma valeta situada na parte posterior da

plataforma. O dreno de fundo de enrocamento uma alternativa vivel e econmica

frente a canais de desvios de superfcie, que so construes caras e de difcil

manuteno. Os drenos de fundo de enrocamento so geralmente aceitveis, no caso de

fluxo de at 20 m/s (EATON et al., 2005).

Operao da Pilha

A disposio do estril deve ser realizada com maior relevncia ao longo do

comprimento da crista, de modo a fazer desta a mais longa possvel, minimizando a taxa

de elevao do aterro, o que beneficia a estabilidade. Um bom planejamento da

disposio do estril deve aproveitar todas as condies presentes do lugar. No

desenvolvimento de uma pilha, a disposio deve ser feita em vrios setores, no sendo

concentrada em um nico local (BCWPRC, 1991).

As restries de operao devem ser cumpridas nas fases de construo da pilha. O

desempenho da pilha deve ser controlado mediante constantes monitoramentos visuais e

por meio de instrumentos. Em caso de eventuais irregularidades, medidas preventivas

devem ser tomadas, incluindo-se a prpria suspenso de disposio, reduo na taxa de

disposio ou lanamento de camadas de material de granulometria grosseira

selecionado (EATON et al., 2005).

16

Materiais rochosos mais grosseiros devem ser dispostos em ravinas e gargantas, no leito

de cursos da gua bem definidos e diretamente sobre terrenos ngremes. Isto aumenta a

resistncia ao cisalhamento do contato e permite uma melhor drenagem de fundo. Os

materiais de pouca qualidade, moles e finos, devem ser dispostos fora de reas de

escoamento superficial. Outra maneira de trabalhar com os materiais de qualidade ruim

coloc-los em clulas de uma maneira arranjada, tendo como objetivo no gerar uma

zona favorvel de ruptura (BCWPRC, 1991).

Nos lugares onde a estabilidade da pilha mais difcil de ser prevista, a disposio

inicial deve ser realizada experimentalmente, de forma que possa se conferir as

hipteses do projeto. Fatores como as poropresses e as suas taxas de dissipao so

mais difceis de ser previstos, com base unicamente em ensaios de laboratrio. Assim,

instrumentaes para mensurao de poropresses devem ser instaladas em fundaes

em situao complicada, de modo a possibilitar a preparao de um modelo de

desenvolvimento que reproduza as medidas de campo.

Os objetivos de longo prazo devem ser bem ministrados no projeto da reabilitao da

pilha de forma a garantir, de certo modo, uma reduo dos custos, um aumento da

estabilidade de curto prazo (na construo) e diminuir os problemas operacionais. O

projeto da reabilitao deve ter objetivos que garantam a estabilidade e o controle de

eroses em longo prazo, de tal modo que a gua liberada pela pilha ao meio ambiente

local seja de uma qualidade admissvel e que tornem possvel um uso futuro apropriado

para as reas afetadas pelas pilhas (BOHNET e KUNZE, 1990).

Interao entre Projeto e Construo

A fase de construo sempre subordinada fase anterior de planejamento. No entanto,

eventos no previstos podem ocorrer e devem ser documentados. importante ter uma

informao precisa de todas as caractersticas, para um bom desenvolvimento do

processo construtivo; mas neste processo obtm-se outras informaes mais

aprofundadas que ajudam a melhorar o planejamento, as quais devem ser corretamente

17

registradas e guardadas. O projeto de uma pilha precisa sempre de uma auditoria

peridica pela equipe tcnica qualificada da prpria mineradora e melhor ainda se forem

conjuntamente com auditores externos.

2.4.3 Classificao de Pilhas de Estril

Geral

Em geral, um sistema de classificao disponibiliza representaes e caracterizaes

bsicas das pilhas de estreis como, por exemplo, o seu tipo e a forma de disposio do

estril numa determinada ordem. Essas informaes facilitam a comunicao e o

entendimento entre profissionais interessados nas fases de projeto e construo.

Alm disso, as descries frequentemente fornecem uma previso sobre o

comportamento interno da pilha (poropresses, nvel de gua, etc.) e previnem sobre

reas de riscos potenciais, com o intuito de serem investigados, minimizados ou

excludos o mais cedo possvel. Existem vrios esquemas, propostos na literatura, de

classificao de pilhas de estril quanto aos seus tipos, os quais se baseiam nos aspectos

referentes s caractersticas gerais da fundao e da configurao das pilhas (ARAGO,

2008).

Uma publicao do governo canadense intitulada Mined Rock and Overburden Piles

(BCMWRPRC, 1991) considera que os fatores para avaliar as pilhas de estreis

segundo o seu potencial de estabilidade, so a configurao da pilha, a inclinao do

talude de fundao e o grau de confinamento, o tipo de fundao, a qualidade do

material da pilha, o mtodo construtivo empregado, as condies hidrogeolgicas, a

taxa de disposio e a sismicidade.

Os tipos de pilhas classificados conforme o BC Mine Waste Rock Pile Research

Committee so destacados na Figura 2.4 (BCMWRPRC, 1991).

18

Figura 2.4: Tipos de pilhas de estril (BCMWRPRC, 1991)

Configurao da pilha

A estabilidade tem uma dependncia direta com a geometria e dimenses da pilha. A

altura da pilha, por exemplo, tem relao com carga que ser exercida sobre um

determinado terreno de fundao. As configuraes principais so a altura, o volume e a

inclinao geral do talude.

19

Inclinao do talude de fundao e grau de confinamento

Um cenrio mais apropriado a formao cncava dos taludes em vale fechado

(confinamento 3D); no caso contrrio seria uma formao convexa dos taludes de

fundao como no caso de aterros de crista mostrados na Figura 2.4.

Tipo de fundao

Na estabilidade geral da pilha este fator de grande importncia e a causa mais

frequente de ruptura. Nesse caso, categorizam-se as fundaes em competentes

(resistncia igual ou maior pilha), intermedirias (resistncia entre competente e fraca)

e fracas (capacidade de suporte limitada).

Qualidade do material da pilha

Outros fatores importantes na estabilidade da pilha so as caractersticas prprias do

material da pilha, como textura, resistncia ao cisalhamento e durabilidade. Os materiais

mais favorveis so aqueles constitudos por materiais grosseiros, de rocha dura e

durvel, com pouco ou nenhum fino. Materiais de capeamento ou rocha muito

intemperizada com grande percentagem de finos so menos favorveis.

Mtodo de construo

O mtodo construtivo tambm est diretamente relacionado com a estabilidade, sendo o

mais favorvel o mtodo ascendente (empilhamento ascendente) em formas de bermas,

e, no caso contrrio, o mtodo descendente em talude nico (denominado de bota-fora).

A construo em que se d preferncia para a expanso da pilha na direo das curvas

20

de nvel (para o lado, na direo do vale) favorece mais a estabilidade do que

perpendicular a elas (para baixo).

Condies Hidrogeolgicas

A gua sempre um fator desfavorvel estabilidade, conhecendo-se que a gua pode

entrar no aterro, seja por infiltrao direta, gua superficial, ou como percolao

subterrnea. Uma situao de desenvolvimento da linha fretica dentro da pilha ser

sempre uma condio adversa.

Taxa de Disposio

Altas taxas de elevao da pilha podem dar origem a um excesso de poropresses,

favorecendo para a instabilidade do arranjo estrutural, alm de tornar difcil o

adensamento do material.

Sismicidade

Embora a Amrica do Sul forme uma placa continental que em contato com a Placa de

Nazca ocasionam os terremotos, o movimento ssmico no Brasil geralmente baixo,

mas os eventos causados por desmonte de rocha, que provocam vibraes, deve ser um

fator a ser considerado.

21

2.4.4 Fechamento de Pilhas de Estril

Como um componente ou uma estrutura de uma mina, o fechamento de pilhas de estril

tratado no fechamento de mina. O fechamento de pilhas de estril, dado sua forma

construtiva por mtodos ascendente, permite que as operaes de recuperao

progressiva sejam empregadas concomitantemente com a construo da pilha nos

bancos inferiores dessa. Portanto, atividades como rebatimento do talude dos bancos,

para um ngulo de talude final, revegetao e instalao de sistemas de drenagem

superficial devem ser implementadas logo aps a finalizao do banco. Tais atividades

permitem alm da incluso das despesas de recuperao no custo operacional da mina,

uma reduo no carreamento de sedimentos para a bacia de captao, reduo de

rupturas localizadas no talude do banco e, consequentemente, menor custo de

manuteno. Detalhes do fechamento de mina e das etapas envolvidas so descritos por

Flres e Lima (2012).

2.5 METODOLOGIAS DE DISPOSIO E CO-DISPOSIO DE

ESTRIL

As condies atuais de requerimentos legais e de gesto corporativa de muitas empresas

estabelecem que um sistema de disposio ou co-disposio de estril seja entendido

como uma estrutura projetada e implantada para acumular materiais de forma segura,

econmica e ambientalmente satisfatria. A disposio e/ou co-disposio de estreis,

em carter temporrio ou definitivo, devem ser colocadas de modo planejado e

controlado para garantir suas condies de estabilidade.

No documento NRM19 (DNPM, 2001) so estipulados os principais critrios e

premissas que regulam a construo de uma pilha de estril, assegurando sua adequada

implantao, controle operacional e futura desativao (fechamento). Em pilhas de

estril, aos custos de disposio acrescentam-se os de cuidado da cobertura vegetal, de

drenagem, de transporte do estril, de reteno de finos gerados por carreamento de

22

slidos durante e aps a formao da pilha, de manuteno e conservao ao longo da

vida da pilha. A disposio de estril feita de modo normal e habitual por meio de

camadas espessas, formando uma sucesso de plataformas de lanamento espaadas a

intervalos de 10 m ou mais de altura. Assegura-se a estabilidade da pilha por meio do

controle da largura e do comprimento das plataformas, bem como do espaamento

vertical entre elas. Entre as plataformas deixam-se bermas, sendo a funo principal de

acesso, como estrutura auxiliar na drenagem superficial e controle de eroso e de

suavizao do talude geral da pilha. Fundamentalmente, uma pilha de estril

construda pelos mtodos descendente ou ascendente (EATON et al., 2005).

2.5.1 Disposio de Pilhas de Estril

Pilha executada pelo Mtodo Ascendente

mtodo recomendvel para a construo de uma pilha de estril, uma vez que o

comportamento geotcnico da estrutura pode ser bem acompanhado e controlado ao

longo dos alteamentos sucessivos. Pode dar-se de duas formas por camadas ou por

bancadas conforme demonstrado na Figura 2.5.

Figura 2.5: Construo de uma pilha de estril pelo mtodo ascendente (FREITAS, 2004)

23

Resumidamente, a metodologia construtiva pode ser definida de acordo com as

seguintes fases:

Execuo de jusante para montante, em direo s cabeceiras da bacia de

drenagem, a partir de um enrocamento de p;

Transporte de material por meio de caminhes ou motoraspadores

(motoscrapers) e lanamento do estril sobre a plataforma de trabalho, de

maneira a conformar pilhas de pequena altura (tipicamente entre 2,0 e 3,0m);

Espalhamento do material feito por trator de esteira (camadas entre 1,0 e 1,5m

de espessura), com compactao induzida pelo prprio trfego dos veculos;

Formao de bancadas e bermas pelo mtodo ascendente (entre 10,0 e 15,0m de

altura) e retaludamento posterior com trator de esteira, sendo a camada

superficial regularizada e estabilizada por compactao final (Figura 2.6);

Implantao de dispositivos de drenagem e de proteo superficial dos taludes

concludos.

Figura 2.6: Retaludamento da face do banco em conformao ao projeto geotcnico da Pilha (FREITAS, 2004).

Este mtodo apresenta uma grande contribuio segurana da estrutura, uma vez que

qualquer ruptura ter de passar pelo banco anterior, que tambm atua como apoio para o

p do talude do banco superior e fornece certo confinamento para os solos de fundao.

Outro ponto positivo que o p de cada banco suportado em uma superfcie plana

(berma) superior (Eaton et al., 2005 citado por Arago, 2008).

24

Com relao aos processos utilizados nas minas para remoo e disposio do estril,

estes tendem a gerar ambientes favorveis para a predominncia de sistemas

heterogneos de escoamento pelo macio da pilha, devido grande variabilidade das

propriedades fsicas dos estreis. Tal fato pode ser reforado, ainda mais, caso o mtodo

de disposio utilizado seja o mtodo descendente.

Pilha executada pelo Mtodo Descendente

Este mtodo era realizado com pouco ou nenhum controle geotcnico, em depsitos de

ponta de aterro (tipo bota-fora), pelo lanamento e basculamento direto do estril a

partir da cota mais elevada dos taludes da pilha, construda j na sua altura mxima a

montante (Figura 2.7). As condies de fundao e os taludes do terreno natural na

regio do p da pilha so os elementos que, em geral, condicionam a estabilidade da

pilha.

Os equipamentos de transporte do estril no assumem a atividade de compactao e os

taludes evoluem com a dinmica do empilhamento, sem possibilitar, assim,

procedimentos de cobertura vegetal. Formam estruturas bastante instveis, altamente

susceptveis a processos erosivos e a escorregamentos generalizados (Figura 2.7).

Assim, apresentam enormes restries de aplicao prtica, sendo indicadas apenas para

materiais francamente drenantes (enrocamentos) e/ou em reas confinadas.

Figura 2.7: Construo de uma pilha de estril pelo mtodo descendente (FREITAS, 2004)

25

Conforme a NBR 13029 (ABNT, 2006) este mtodo citado no pode ser adotado pela

indstria de minerao. Um processo alternativo o chamado empilhamento por

stacker (Figura 2.8), utilizando-se sistemas de correias transportadoras. Este

equipamento empregado para manuseio de material a granel, mais utilizado para

empilhamento de minrio, mas que pode ser tambm empregado para sistemas de

disposio de estreis, por sua versatilidade e velocidades de alteamento.

Figura 2.8: Tcnica de empilhamento por stacker1

Esta tcnica apresenta maior velocidade de alteamento que os demais, com uma baixa

perda de umidade do estril. Por conseguinte, essas elevadas velocidades no permitem

a dissipao das poropresses da fundao, o que exige maiores estudos e anlises

quanto sua aplicao. Como no ocorre a presena de equipamentos de transporte e o

trfego nulo, no apresenta nenhum tipo de compactao, nem mesmo superficial.

1http://www.takraf.com/en/products/yardequipment/stacker.htm, (Acesso em 11 de Jul. 2014)

26

2.5.2 Co-Disposio de Pilhas de Estril

Pilhas de estril em minas de minrio sulfetado podem gerar drenagem cida pois a

estrutura porosa e a circulao de ar mais a mida favorecem tal processo. Quando se

trata de rejeito, o risco de liquefao de pilhas e barragens grande visto que tais

materiais so consolidados e podem permanecer semifluidos e, pela caracterstica

granulomtrica, podem dificultar a drenagem e, em consequncia a elevao das

poropresses. Neste sentido, tem sido adotado pela indstria a tcnica da co-disposio

estril com rejeito. O mtodo de co-disposio tem por finalidade limitar a transferncia

de oxignio nos vazios do estril em uma pilha e garantira estabilidade fsica e

geoqumica da pilha formada.

Segundo Wickland e Wilson (2005), a co-disposio envolve a combinao de estril e

rejeitos. Existem alguns tipos de co-disposio, que variam em funo do percentual da

mistura (% de estril / % de rejeito) e mtodo de arranjo, incluindo:

Disposio compartilhada: rejeitos e estreis no se misturam, mas so dispostos

em extremidades opostas de uma cava;

Co-disposio em camadas: estreis e rejeitos so colocados alternadamente em

camadas;

Co-disposio por bombeamento: materiais grosseiros e finos so suspensos

juntos e bombeados para uma barragem; e

Misturas homogneas, estreis e rejeitos esto intimamente misturados.

As duas primeiras opes sero heterogneas, e podem, portanto, permitir que o

material estril permanea no saturado. As condies no saturadas podem permitir o

fluxo convectivo de oxignio e, portanto, a oxidao pode ocorrer a taxas mais elevadas

do que para as condies saturadas. Os mtodos de co-disposio por bombeamento e

misturas homogneas tm o potencial para produzir depsitos saturados que reduzem a

oxidao e a possibilidade de gerao de drenagem cida (WICKLAND e WILSON,

2005).

27

CAPTULO 3

COMPORTAMENTO DOS SOLOS GRANULARES

3.1 INTRODUO

Neste capitulo, so apresentadas algumas caractersticas fundamentais de solos

granulares que tendem a servir de fundamento para a anlise do comportamento

geotcnico de estreis. De uma forma geral, materiais estreis podem ser avaliados a

partir da anlise do comportamento de solos arenosos. Esta aproximao se apia nas

correspondncias que acontecem nas propriedades destes materiais. A menor

concentrao de finos plsticos e o efeito da compacidade, em ambos os materiais, tem

justificado a adoo de tcnicas de avaliao, metodologias de ensaios similares s

usadas para solos propriamente arenosos.

Porm, deve ser destacado que alm do estril ter uma similitude com a granulometria

da areia, o seu comportamento no pode ser estimado exatamente ao mesmo de uma

areia, devido principalmente s caractersticas mineralgicas que o diferencia e

presena predominante de partculas de ferro (no caso do rejeito de minrio de ferro

objeto desse estudo) e outros minerais, fundamentando assim uma anlise mais

cuidadosa. No entanto, existem trabalhos referentes a solos granulares no coesivos, em

especial com rejeitos, tal como os mais antigos feitos por Reynolds (1885), Casagrande

(1940), Taylor (1948), Bishop (1954), Rowe (1962), Lee e Seed (1967), Lambe e

Whitman (1969), que foram considerados neste captulo.

28

3.2 RESISTNCIA AO CISALHAMENTO DOS SOLOS

GRANULARES

Normalmente os solos granulares consistem de arranjos com formas irregulares

aleatoriamente formados por partculas de granulometria variada. Assim, os mais

importantes fatores que influenciam a resistncia ao cisalhamento de uma massa de solo

granular so o tipo de partcula que forma este solo, o arranjo das partculas e ndice de

densidade (ID), comumente conhecido como compacidade relativa (CR). O

comportamento dos solos granulares quando dependente de foras externas regido

pelas foras individuais e deslocamentos que ocorrem em cada ponto de contato. Sendo

as tenses transmitidas nos pontos de contato muito grandes, pode-se afirmar que a

resistncia ao cisalhamento desses solos devida, basicamente, ao componente

horizontal da fora entre suas partculas. Para mobilizar a resistncia ao cisalhamento

devem ocorrer deformaes no solo, sendo o movimento referente entre os gros o

principal agente desta ao. Deste modo, a relao entre resistncia ao cisalhamento e

movimento relativo das partculas evidente.

O rolamento e deslizamento entre gros exercem influncia na resistncia ao

cisalhamento; no primeiro caso, porque os gros podem tambm rolar uns sobre os

outros, influenciando o contato entre partculas. No segundo, porque os gros podem

deslizar uns sobre os outros, originando o atrito. Por sua vez, a rugosidade superficial

das partculas exerce influncia nestes dois fatores.

Ao longo dos anos, vrias pesquisas buscam investigar a resistncia ao cisalhamento de

solos granulares e vrias destas investigaes se baseiam na anlise da resistncia

drenada e no-drenada de areias, sendo analisado a maioria dos fatores que contribuem

para a resistncia ao cisalhamento de solos granulares, como o efeito da tenso de

confinamento, do ndice de vazios, etc. (PRESOTTI, 2002).

Reynolds (1885) chama de dilatncia o efeito da dilatao de um solo granular denso,

como a areia, durante o cisalhamento. Um solo fofo, por outro lado, comprimido o que

chamado de contrao. Destaca-se tambm que um solo denso exibe uma resistncia

29

de fora de contato mais elevada do que quando fofo. Isto significa que a mobilizao

do ngulo de atrito () consiste em vrios componentes, no apenas do componente da

fora com

AVALIAÇÃO DO EFEITO DE ESCALA NO ESTUDO …‡ÃO... · para una determinada altura del cuerpo de...

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