Dissertao de Mestrado

ESTUDO DE METODOLOGIAS ALTERNATIVAS DE DISPOSIO DE REJEITOS PARA A MINERAO CASA DE PEDRA CONGONHAS/MG

AUTOR: MARCELO MARQUES FIGUEIREDO

ORIENTADORES: Prof. Dr. Romero Csar Gomes (UFOP) e Profa. Dra. Terezinha de Jesus Espsito (UFMG)

MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTCNICA DA UFOP

OURO PRETO - NOVEMBRO DE 2007

F475e

Figueiredo, Marcelo Marques. Estudo de Metodologias Alternativas de Disposio de Rejeitos para a Minerao Casa de Pedra - Congonhas/MG [manuscrito] : Estudo de Metodologias Alternativas de Disposio de Rejeitos para a Minerao Casa de Pedra Congonhas/MG / Marcelo Marques Figueiredo. 2007. ix, 100 f.: il., color; graf., tabs, fotografa. Orientadores: Prof. Dr. Romero Csar Gomes e Terezinha de Jesus Espsito. Dissertao (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Ncleo de Geotecnia rea de concentrao: Geotecnia Aplicada a Minerao. 1. Geotecnia - Teses. 2. Refugos (minerao) - Aspectos ambientais. Teses. 3. Refugos (minerao) Metodologia - Teses. 4. Minerao Casa de Pedra Congonhas/MG - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Ttulo. CDU: 628.5

Catalogao: sisbin@sisbin.ufop.br

DEDICATRIA

A TODAS AS PESSOAS QUE FAZEM PARTE DA MINHA VIDA, AMIGOS E FAMILIARES. COM ELES APRENDI QUE O CAMINHO LONGO, PORM POSSVEL DE SER TRILHADO COM PAZ, SABEDORIA E MUITO AMOR. NAMAST!!

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AGRADECIMENTOSAo professor Romero Csar Gomes, pela orientao e pelas excelentes discusses geotcnicas.

A professora Terezinha Espsito, pela orientao, incentivo e apoio, desde o curso de especializao at o mestrado profissional.

Companhia Siderrgica Nacional CSN, pela oportunidade do trabalho e disponibilizao de dados e informaes, em especial Dinalva, como principal contato no incio dos estudos.

Ao professor Jorge Valado, pela conversa inicial, e ao Christian Osorio, pela disponibilizao de alguns resultados de ensaios.

A todos os professores e colegas do Mestrado Profissional em Geotecnia da UFOP pelos conhecimentos trocados e pelas amizades feitas.

Aos meus pais, irms e av, pelo apoio e amor incondicional. Em especial ao meu pai e a minha me. Obrigado por tudo, sem vocs nada disso seria possvel.

A Juju, pela pacincia, carinho e amor de todas as horas. Obrigado por existir!

Aos amigos da SETE, pelo companheirismo e pela possibilidade de aprendizado e amadurecimento profissional. Em especial ao Rogrio, por ter sido a primeira pessoal a me instigar nos caminhos da geotecnia.

Ao Morrabaxo, amigos, ontem, hoje e sempre. bom saber que tenho amigos como vocs, apesar dos caminhos e valores muitas vezes opostos.

Aos amigos do Ncleo Ananda, em especial ao Govinda e a Be, pela amizade e ensinamentos. Namast!

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RESUMOAtualmente, os rejeitos do processamento dos minrios so descartados em barragens de conteno em superfcie, formadas atravs de barramentos convencionais (barragens de terra compactada), construdas com a utilizao de materiais provenientes de jazidas de emprstimo ou com o prprio estril e/ou rejeito gerado na mina e nas instalaes de beneficiamento. Essas barragens, geralmente so construdas em etapas, com alteamentos sucessivos realizados preferencialmente por montante. Visando minimizar os impactos ambientais e os custos associados aos processos de conteno e recuperao de gua do processo, as empresas vm procurando novas alternativas de disposio desses materiais. No presente trabalho foram estudadas para a Minerao Casa de Pedra, metodologias alternativas de disposio de rejeitos, compreendendo: a disposio do rejeito granular na forma de aterro hidrulico (pilha de rejeito), a disposio de rejeitos desaguados (espessados) e/ou em pasta, e a co-disposio de rejeitos e estreis em superfcie. Dessa forma, visando a definio das metodologias propostas, foi feita uma caracterizao tecnolgica destes materiais, com base em resultados de ensaios de campo e laboratrio realizados ao longo da vida til do empreendimento. A partir dos estudos, pode-se concluir, preliminarmente, que os rejeitos gerados em Casa de Pedra tendem a apresentar condies tecnolgicas favorveis para disposio dos rejeitos granulares (rejeito da flotao) na forma de aterro hidrulico e para disposio dos rejeitos finos (lama da ciclonagem secundria) desaguados (espessados) e/ou em pasta. Com relao a co-disposio de estreis e rejeitos, este mtodo dever ser melhor estudado para aplicao aos rejeitos da CSN, considerando sobretudo a previso de utilizao de estril na construo da futura Barragem do Batateiro.

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ABSTRACTCurrently, tailings from the ore processing have been discarded in surface containment dams, which are formed through conventional lathe bed constructed by the use of materials provided from loan deposits or by the own waste and/or tailings generated in the mine and improvement facilities. These tailing dams are usually built in stages with successive rising preferentially accomplished by upstream method. Seeking to minimize the environmental impact and the costs associated to the containment and water recovery processes, mining companies have been searching new alternatives for these materials disposal. This present paper is a result from an analysis of alternative tailings disposal methodologies for the Mining Casa de Pedra. The methodologies are: a) the disposal of granular tailings as a hydraulic fill technique; b) the disposal of drained tailings (thickened) and/or in paste; and c) the co-disposal of tailings and waste in the surface. In order to define the above mentioned methodologies, a technological characterization of these materials was developed. Preliminarily, it can be concluded from these studies that the generated rejects in the Mining Casa de Pedra tend to present favorable technological conditions for granular tailings disposal (flotation tailings) as a hydraulic fill and for thin tailings disposal (secondary cycloning mud), which might be drained (thickened) and/or in paste. Regarding to the co-disposal of wastes and tailings, this method must be studied to a greater extent in a way to apply to CSNs tailings. It must be also considered the foreseen of tailing use in the future construction of Batateiro Dams.

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Lista de FigurasFigura 2.1 Exemplo de pilha de rejeito construda pela tcnica de aterro hidrulico (Espsito, 2005). Figura 2.2 Praia de rejeito formada pela tcnica de aterro hidrulico (Espsito, 2004). Figura 2.3 Esquema bsico de um hidrociclone. Figura 2.4 Serie de hidrociclones localizados na crista de uma barragem. Figura 2.5 Grupos de materiais de emprstimo de acordo com a norma sovitica SNIP-II-53-73 (modificado Moretti & Cruz, 1996, citado em Ribeiro, 2000). Figura 2.6 Correlaes entre valores de ngulos de atrito e a densidade relativa para solos granulares (modificado Schmertman, 1978, citado em Ribeiro, 2000). Figura 2.7 Resultados de ensaios conepenetromtricos realizados na praia da barragem de conteno de rejeitos de minrio de ferro de Gongo Soco (Albuquerque Filho, 2000). Figura 2.8 Relao entre massa especfica dos gros e teores de ferro em rejeitos de Fe (modificado Espsito e Lopes, 2000, citado em Hernandez, 2002). Figura 2.9 Relao de dependncia do ngulo de atrito com a porosidade e a granulometria (Lopes, 2002). Figura 2.10 Resultados de ensaios CIU para rejeitos de minrio de ferro (Gomes et al., 2002). Figura 2.11 Trajetria de tenses dos ensaios para o rejeito de minrio de ferro (Gomes et al., 2002). Figura 2.12 Exemplos tpicos de rejeitos espessados. Figura 2.13 Caracterizao de diferentes tipos de rejeitos (Laudriault modificado, 2002). Figura 2.14 Espessadores de alta densidade de cone profundo (Jewell, 2002). Figura 2.15 ngulos de disposio para polpas de alta densidade e para pasta, para diferentes tipos de terreno (Laudriault, 2002). Figura 2.16 Consistncias de mistura para disposio, seus correspondentes equipamentos para desaguamento e bombeamento, ngulos de repouso e incremento de volume de rejeito para disposio (adaptado de Laudriault, 2002).

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Figura 2.17 Disposies tpicas de rejeitos espessados e/ou em pasta (Robinsky, 2002). Figura 2.18 Representao esquemtica do teste de abatimento de cone ou slump (Clayton, et al, 2003). Figura 2.19 Arranjo esquemtico do teste de flume ou de calha (Sofr et al., 2002,). Figura 2.20 Variao do ngulo de atrito para variadas taxas de concentrao de estreis e rejeitos (Leduc et al., 2003). Figura 2.21 Variao na permeabilidade para variadas taxas de concentrao de estreis e rejeitos (Leduc et al., 2003). Figura 2.22 Bacias de rejeito construdas no depsito de estril (Leduc et al., 2003, modificado). Figura 2.23 Mistura de rejeito com estril no topo do depsito (Leduc et al., 2003, modificado). Figura 2.24 Injeo de rejeito em furos verticais no topo do depsito de estril (Leduc et al., 2003, modificado). Figura 2.25 Injeo de rejeito em furos inclinados no topo do depsito de estril (Leduc et al., 2003, modificado). Figura 2.26 Disposio de rejeito em camadas finas no topo do depsito (Leduc et al., 2003, modificado). Figura 3.1 Macrofluxograma da planta de beneficiamento 16.000.000 t/ano. Figura 3.2 Vista de jusante da barragem B3 (CSN, 2006). Figura 3.3 Vista de jusante da barragem B4 (CSN, 2006). Figura 3.4 Vista de jusante da barragem B5 (CSN, 2006). Figura 3.5 Vista de jusante da barragem B6 (CSN, 2006). Figura 3.6 Seo esquemtica da barragem do Batateiro (DAM, 2004). Figura 3.7 Seo tpica da barragem Casa de Pedra (DAM, 2004). Figura 4.1 Microfotografias da amostra da lama da ciclonagem secundria: a) esecundrios, 2000x; b) e- secundrios, 3500x; c) e- retroespalhados, 1000x; d) seo polida, e- retroespalhados, 750x (Osorio, 2005).

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Figura 4.2 - Microfotografias da amostra do rejeito da flotao: a) e- secundrios, 750x; b) e- secundrios, 500x; c) e- retroespalhados, 1000x; d) seo polida, eretroespalhados, 500x (Osorio, 2005). Figura 4.3 - Difratograma de raios x da amostra da lama da ciclonagem secundaria. Figura 4.4 - Difratograma de raios x da amostra do rejeito da flotao. Figura 4.5 Distribuio granulomtrica da lama da ciclonagem secundria (Osorio, 2005). Figura 4.6 - Distribuies granulomtricas do rejeito da flotao (Osorio, 2005). Figura 4.7 Resultados de ensaio de piezocone realizados na praia de rejeitos da barragem B3 (DAM, 2004). Figura 4.8 Diagramas tenso desviadora x deformao axial, poropresso x deformao axial e razo de tenses x deformao axial Amostra I (DAM, 2004). Figura 4.9 - Diagramas tenso desviadora x deformao axial, poropresso x deformao axial e razo de tenses x deformao axial Amostra II (DAM, 2004). Figura 4.10 - Diagramas tenso desviadora x deformao axial, poropresso x deformao axial e razo de tenses x deformao axial Amostra III (DAM, 2004). Figura 4.11 - Diagramas tenso desviadora x deformao axial, poropresso x deformao axial e razo de tenses x deformao axial Amostra IV (DAM, 2004). Figura 4.12 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses totais Amostra III (DAM, 2004). Figura 4.13 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses efetivas Amostra III (DAM, 2004). Figura 4.14 Trajetria em termos de tenses efetivas Amostra III (DAM, 2004). Figura 4.15 Grfico de viscosidade em funo da velocidade de rotao da haste Amostra I lama da ciclonagem secundria (Osorio, 2005). Figura 4.16 Grfico de viscosidade em funo da velocidade de rotao da haste Amostra II rejeito da flotao (Osorio, 2005). Figura 4.17 Grfico de viscosidade em funo da velocidade de rotao da haste Amostra III mistura de 75% da amostra I e 25% da amostra II (Osorio, 2005). Figura 4.18 - Grfico de viscosidade em funo da velocidade de rotao da haste Amostra IV mistura de 50% da amostra I e 50% da amostra II (Osorio, 2005).

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Figura 4.19 - Grfico de viscosidade em funo da velocidade de rotao da haste Amostra V mistura de 25% da amostra I e 75% da amostra II (Osorio, 2005). Figura 4.20 Grfico de altura de slump em funo da porcentagem de slidos das pastas, considerando as amostras originais e misturas (Osorio, 2005). Figura 4.21 Grfico de ngulo de repouso em funo da porcentagem de slidos das pastas, considerando as amostras originais e misturas (Osorio, 2005). Figura 5.1 Distribuio granulomtrica do rejeito da flotao. Figura 5.2 Densidades relativas x ngulos de atrito (amostras de rejeito coletadas na praia da barragem B3).

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Lista de TabelasTabela 2.1 Custos relativos aos diferentes sistemas de disposio de rejeitos (Rice & Davies, 2002 em Gomes, 2006). Tabela 2.2 Valores de altura de slump e ngulo de repouso para pastas com diferentes contedos de slidos (Chambers et al., 2002).

Tabela 4.1 Anlise qumica quantitativa dos rejeitos da CSN (Osorio; 2005). Tabela 4.2 Tamanhos d10, d50 e d90 das amostras slidas dos rejeitos da CSN (Osorio, 2005). Tabela 4.3 Resultados de ensaios granulomtricos obtidos atravs de 04 ensaios realizados em amostras de rejeitos coletadas na praia da barragem B4 (Geolabor, 2005). Tabela 4.4 Resultados de ensaios granulomtricos obtidos em amostras coletadas no aterro experimental da CSN (UFV, 2005). Tabela 4.5 Resultados de ensaios granulomtricos realizados pela CEMIG amostras da praia de rejeito da barragem B3 (DAM, 2004). Tabela 4.6 Densidades dos rejeitos de Casa de Pedra (Osorio, 2005). Tabela 4.7 Resultados de ensaios realizados pela CEMIG em amostras da praia de rejeito da barragem B3 (DAM, 2004). Tabela 4.8 Massas especificas secas e ndices de vazios limites de amostras de rejeitos coletadas na praia da barragem B6 (Geolabor, 2005). Tabela 4.9 Resultados de ensaios para determinao de pesos especficos dos slidos e ndices de vazios obtidos no aterro experimental da CSN (UFV, 2005). Tabela 4.10 Tempos de passagem de fluxo de ar e valores de ASE segundo Blaine (Osorio, 2005). Tabela 4.11 Resultados de ensaios de campo de palheta na praia de rejeitos da barragem B3 (DAM, 2004). Tabela 4.12 Parmetros de resistncia dos rejeitos da barragem B3 (DAM, 2004). Tabela 4.13 Amostras de rejeito em pastas e misturas da minerao Casa de Pedra (Osorio, 2005).

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Tabela 4.14 Alturas do slump obtidas usando geometria cilndrica (Osorio, 2005). Tabela 4.15 Porcentagem de slidos necessria para abatimento de 50% da altura do slump (Osorio, 2005). Tabela 4.16 ngulos de repouso da disposio dos rejeitos em flume para diferentes porcentagens de slidos da pasta (Osorio, 2005). Tabela 4.17 Valores de altura de slump e ngulos de repouso para as amostras originais dos rejeitos de Casa de Pedra (Osorio, 2005).

Tabela 5.1 Anlise comparativa das especificaes granulomtricas dos rejeitos de Casa de Pedra (dimetros em mm).

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Lista de Smbolos, Nomenclatura e AbreviaesASE rea superficial especfica CSN Companhia Siderrgica Nacional Deep Cone Espessador de cone profundo Piping Eroso devido percolao de gua no interior do aterro, com carreamento de slido Overtopping galgamento Overflow Partio granulomtrica de partculas mais finas Underflow Partio granulomtrica de partculas mais grossas Flume test Ensaio de simulao de deposio hidrulica Slump test Ensaio de simulao de abatimento Fe Ferro CIU Ensaio triaxial consolidado, isotrpico e no-drenado Tickened tailings Rejeitos espessados Paste tailings Rejeitos em pasta Wet cake tailings Rejeitos filtrados a mido Dry cake tailings Rejeitos filtrados a seco Slurry Polpa Sinter feed produto do beneficiamento do minrio de ferro de granulometria fina Pellet feed produto do beneficiamento do minrio de ferro de granulometria fina Lump ore - produto do beneficiamento do minrio de ferro de granulometria grossa Paste Pasta Deck Plataforma da peneira Mn Mangans Si Silcio Al Alumnio O Oxignio Mg Magnsio Na Sdio S Enxofre

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P Fsforo SiO2 Slica Fe2O3 Hematina FeO(OH) goethita MnO2 Pirolusita Mg3(OH)2Si4O10 Talco Al2Si2O5(OH)4 Caulinita Al(OH)3 Gibsita PG Picnometria a gs PS Picnometria simples Run-of escoamento superficial Backfill Preenchimento de aberturas subterrneas com estril Pastefill - Preenchimento de aberturas subterrneas com pasta TTD - Thickened tailings disposal Mcrons Unidade de medida de tamanho de partculas Yield stress Tenso de escoamento Mpa Megapascal m Micrmetro CPTU Cone penetration test com medida de poropresso (piezocone) Su Resistncia no drenada CP Corpo de prova VST Vane test SNIP-II-53-73 Especificao sovitica referente ao dimetro de partculas necessrio para uma razovel segregao hidrulica na construo de aterros hidrulicos. D10 Dimetro efetivo D60 Dimetro mdio D90 Dimetro correspondente a 60% passando na abertura da malha da peneira considerada e obtido na curva granulomtrica tenso total 1 Tenso principal maior 3 Tenso principal menor Poropresso - ngulo de atrito

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C Coeso Rpm Rotaes por minuto HS Altura do slump R - ngulo de repouso

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Lista de AnexosAnexo I Resultados de Ensaios Parmetros de Resistncia. Figura I.1 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses totais Amostra I (DAM, 2004). Figura I.2 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses efetivas Amostra I (DAM, 2004). Figura I.3 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses totais Amostra II (DAM, 2004). Figura I.4 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses efetivas Amostra II (DAM, 2004). Figura I.5 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses totais Amostra IV (DAM, 2004). Figura I.6 Envoltria de ruptura obtida em termos de tenses efetivas Amostra IV (DAM, 2004). Figura I.7 Trajetria em termos de tenses totais Amostra I (DAM, 2004). Figura I.8 Trajetria em termos de tenses efetivas Amostra I (DAM, 2004). Figura I.9 Trajetria em termos de tenses totais Amostra II (DAM, 2004). Figura I.10 Trajetria em termos de tenses efetivas Amostra II (DAM, 2004). Figura I.11 Trajetria em termos de tenses totais Amostra IV (DAM, 2004). Figura I.12 Trajetria em termos de tenses efetivas Amostra IV (DAM, 2004).

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NDICE

CAPTULO 1 INTRODUO 1.1 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS DO TRABALHO ............................................1 1.2 ESCOPO DA DISSERTAO..............................................................................6 CAPTULO 2 METODOLOGIAS ALTERNATIVAS DE DISPOSIO DE REJEITO 2.1 DISPOSIO DE REJEITOS GRANULARES NA FORMA DE ATERRO HIDRULICO...............................................................................................................8 2.1.1 Histrico e Consideraes Sobre a Tcnica de Disposio Hidrulica..........8 2.1.2 Aplicao da Tcnica de Aterro Hidrulico s Barragens de Conteno de Rejeitos...................................................................................................................11 2.1.3 Critrios de Aplicabilidade da Tcnica de Aterro Hidrulico......................17 2.1.4 Parmetros Geotcnicos dos Materiais de Aterro Hidrulico......................20 2.2 DISPOSIO DE REJEITOS DESAGUADOS (ESPESSADOS) E/OU EM PASTA.........................................................................................................................25 2.2.1 Histrico e Princpios da Tcnica de Disposio de Rejeitos Espessados...25 2.2.2 Vantagens e Desvantagens da Tcnica de Disposio de Rejeitos Desaguados (Espessados) e/ou em Pasta................................................................33 2.2.3 Critrios de Aplicabilidade da Tcnica e Condicionantes de Projeto de Disposio de Rejeitos Desaguados (Espessados) e/ou em Pasta..........................38 2.3 CO-DISPOSIO DE REJEITOS DE ESTREIS DE MINA ...........................43 2.3.1 Princpios Gerais da Tcnica de Co-Disposio de Rejeitos e Estreis de Mina........................................................................................................................43 2.3.2 Vantagens de Desvantagens da Tcnica de Co-Disposio de Rejeitos e Estreis de Mina.....................................................................................................49

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2.3.3 Critrios de Aplicabilidade da Tcnica de Co-Disposio de Rejeitos e Estreis de Mina e Condicionantes de Projeto.......................................................51 CAPTULO 3 GERAO E PRODUO DE REJEITOS DE FERRO DA MINERAO CASA DE PEDRA - CSN 3.1 CARACTERIZAO GERAL DO EMPREENDIMENTO...............................53 3.2 PROCESSO DE BENEFICIAMENTO E GERAO DE REJEITOS DE CASA DE PEDRA ..................................................................................................................55 3.3 SISTEMA DE DISPOSIO DE REJEITOS DE CASA DE PEDRA...............57 3.3.1 Barragem B3.................................................................................................57 3.3.2 Barragem B4.................................................................................................58 3.3.3 Barragem B5.................................................................................................59 3.3.4 Barragem B6.................................................................................................60 3.3.5 Estruturas Previstas para Implantao a Curto Prazo...................................61 3.3.5.1 Barragem do Batataeiro.....................................................................61 3.3.5.2 Barragem Casa de Pedra....................................................................62 CAPTULO 4 CARACTERIZAO TECNOLGICA DOS REJEITOS DE FERRO DA MINERAO CASA DE PEDRA - CSN 4.1 INTRODUO ....................................................................................................65 4.2 CARACTERIZAO TECNOLGICA DA FRAO SLIDA DOS

REJEITOS............ .......................................................................................................66 4.2.1 Composio Qumica e Mineralgica...........................................................66 4.2.2 Distribuio Granulomtrica.........................................................................70 4.2.3 Densidades, Pesos Especficos e ndices de Vzios......................................74 4.2.4 Superfcie Especfica das Amostras Slidas..................................................77 4.2.5 Parmetros de Resistncia.............................................................................78 4.3 CARACTERIZAO TECNOLGICA DOS REJEITOS EM PASTA.............86 4.3.1 Preparao das Amostras dos Rejeitos em Pasta..........................................86 4.3.2 Viscosidade das Pastas..................................................................................87

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4.3.3 Testes de Slump.............................................................................................91 4.3.4 Testes de Calha ou Flume..............................................................................93 CAPTULO 5 ALTERNATIVAS DE DISPOSIO DOS REJEITOS

GERADOS PELA MINERAO CASA DE PEDRA - CSN 5.1 INTRODUO ....................................................................................................98 5.2 ALTERNATIVA 1: DISPOSIO DOS REJEITOS GRANULARES NA FORMA DE ATERRO HIDRULICO .....................................................................................98 5.2.1 Premissas e Critrios de Referncia..............................................................98 5.2.2 Aplicabilidade da Tcnica aos Rejeitos da CSN.........................................100 5.2.3 Estudos Complementares............................................................................103 5.3 ALTERNATIVA 2: DISPOSIO DE REJEITOS DESAGUADOS

(ESPESSADOS) E/OU EM PASTA .........................................................................105 5.3.1 Premissas e Critrios de Referncia............................................................105 5.3.2 Aplicabilidade da Tcnica aos Rejeitos da CSN.........................................106 5.3.3 Estudos Complementares............................................................................107 5.4 ALTERNATIVA 3: CO-DISPOSIO DE REJEITOS E ESTREIS DE MINA.........................................................................................................................108 5.4.1 Premissas e Critrios de Referncia............................................................108 5.4.2 Aplicabilidade da Tcnica aos Rejeitos da CSN.........................................109 5.4.3 Estudos Complementares............................................................................109 CAPTULO 6 CONCLUSES E SUGESTES PARA PESQUISAS FUTURAS 6.1 INTRODUO ..................................................................................................110 6.2 PRINCIPAIS CONCLUSES ...........................................................................111 6.3 SUGESTES PARA TRABALHOS E PESQUISAS FUTURAS ....................117 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS......................................................................119

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CAPTULO1

INTRODUO1.1 - JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS DO TRABALHO

As atividades de minerao geram uma quantidade significativa de estreis e rejeitos, subprodutos inerentes ao processo de lavra e beneficiamento do minrio, sendo que a disposio destes materiais afeta de forma qualitativa e quantitativa o meio ambiente. A quantidade de estreis e rejeitos gerados numa minerao est relacionada ao mtodo de lavra empregado, seja a cu aberto ou subterrneo, e ao teor do mineral de minrio presente na rocha de interesse. De uma maneira geral, estes materiais so gerados em menor escala em minas subterrneas, uma vez que, normalmente, os teores do minrio se apresentam mais elevados e a tonelagem de material lavrado menor.

Em minas a cu aberto, devido ao aprimoramento das tcnicas de lavra e de beneficiamento e aos esforos para reduo dos custos de produo, o aproveitamento de minrios de baixos teores, considerados no passado como material de baixo valor agregado, tornou-se prtica comum nas mineradoras, contribuindo significativamente para o aumento nos volumes de rejeitos gerados, podendo ser citadas as seguintes razes mdias entre o produto final e a gerao de rejeitos de alguns minrios: ferro 2/1, carvo 1/3, fosfato 1/5, cobre 1/30 e ouro 1/10000 (Abro, 1987).

Neste contexto, visando minimizar impactos ambientais e melhorar aspectos de segurana e de desempenho das obras geotcnicas, existe hoje uma preocupao de dispor de forma otimizada os resduos de minerao. Segundo Martin et al. (2002), a principal funo de qualquer estrutura de disposio de rejeito consiste no armazenamento seguro, a longo prazo, do material de rejeito proveniente do processo de beneficiamento do minrio, visando minimizar os impactos scio-ambientais. O projeto

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de cada estrutura e a metodologia de disposio so especficos para cada minerao e levam em conta fatores operacionais e condicionantes locais.

Os rejeitos podem ser descartados sob a forma slida (pasta ou granel), ou lquida (polpa de gua com slidos ou lama), podendo sua disposio ser feita em superfcie, em cavidades subterrneas ou em ambientes sub-aquticos, esta ltima com algumas restries do ponto de vista ambiental. A forma de disposio dos rejeitos est relacionada diretamente ao tipo de minrio e de processo empregado para o seu beneficiamento, ou seja, a princpio, seu estado de disposio (pasta, granel ou polpa) estar condicionado s etapas do processo e s caractersticas da planta, podendo, posteriormente, ser alterado conforme a metodologia proposta para a sua disposio final. Ressalte-se, entretanto, que a alterao do estado do rejeito para atendimento metodologia de disposio compreende, nica e exclusivamente, mudana no seu estado de concentrao e no de suas caractersticas intrnsecas fsico-qumicas e mineralgicas. Alm disso, as diversas metodologias existentes e os procedimentos de disposio de rejeitos resultam em depsitos com propriedades de engenharia substancialmente diferentes.

Segundo Robertson et al. (1987), estruturas de disposio de rejeitos so construdas com os seguintes objetivos preliminares: servir como estrutura de separao dos slidos e da gua presente nos rejeitos, atravs de decantao dos slidos na bacia, e recuperao da gua para o processo industrial; conter e controlar a gua adicional do processo e a gua intersticial presente nos rejeitos e na lagoa formada no processo de deposio; conter os slidos presentes nos rejeitos que, muitas vezes, so reativos e noinertes, de forma a atender as exigncias dos rgos ambientais. Segundo Gomes (2006), em funo das caractersticas granulomtricas dos rejeitos, estes podem ser classificados como arenosos ou finos (lamas), sendo, na maioria das vezes, essencialmente granulares em ambos os casos. Os rejeitos de granulometria fina,

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apesar de comumente avaliados como materiais com caractersticas similares s dos solos siltosos e argilosos, apresentam distines fsicas, qumicas e estruturais, nem sempre comportando-se geotecnicamente como solos.

Com relao disposio atual de rejeitos, tem-se verificado uma preferncia por barragens de conteno em superfcie, uma vez que sua disposio em cavidades subterrneas estar condicionada necessariamente gerao e necessidade de preenchimento destas aberturas, assim como o mtodo de lavra empregado na mina subterrnea. As barragens de superfcie podem ser construdas em etapa nica, atravs de barramentos convencionais (barragens de terra compactada), onde os materiais utilizados na construo so provenientes, em sua maioria, de jazidas de emprstimos localizadas prximas rea da barragem ou com outros tipos de material como, por exemplo, estreis e rejeitos gerados na mina e nas instalaes de beneficiamento, respectivamente.

Quando da utilizao dos rejeitos gerados na planta, essas barragens, geralmente so construdas em etapas, com alteamentos sucessivos e ao longo do tempo. Em muitos casos, quando o rejeito se apresenta com granulometria mais grosseira (acima de 0,074mm), sua deposio pode ser feita atravs da tcnica denominada de aterro hidrulico, conformando pilhas e barragens de rejeitos, sendo que os alteamentos so preferivelmente realizados a montante. A construo em alteamentos sucessivos, alm de diluir os custos envolvidos, d ao minerador maior flexibilidade de operao, pois possibilita adaptar a construo destas estruturas s necessidades reais da mina.

Segundo Parra et. al. (1991), rejeitos mais granulares, com coeficiente de permeabilidade superior a 5 x 10-4 cm/s, podem ser removidos do reservatrio e diretamente utilizados no aterro da barragem, sem passar por um processo de secagem. Nestes casos, a velocidade de construo do aterro condicionada pelo tempo necessrio para a drenagem da camada de material lanada, sendo este, suficientemente curto para permitir uma boa continuidade dos servios. Rejeitos mais finos tambm podem ser utilizados na execuo de aterros, se passarem por processos de secagem mais onerosos.

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Quanto aos mtodos construtivos de barragens de rejeitos, construdas por alteamentos sucessivos, os trs tipos clssicos podem ser citados: Mtodo de Montante, Mtodo de Jusante e Mtodo de Linha de Centro, sendo que o Mtodo de Montante considerado o mais econmico e de maior facilidade executiva. Entretanto, neste caso, apesar das vantagens apresentadas e da necessidade de menores reas para disposio, estas estruturas, principalmente quando alteadas com o prprio rejeito do processo, merecem maior controle no acompanhamento durante a etapa construtiva, uma vez que apresentam algumas desvantagens relacionadas dificuldade de controle da superfcie fretica, susceptibilidade ao piping, superfcies erodveis e probabilidade de liquefao (Espsito, 2000).

Segundo Robertson et al (1987), as propriedades de engenharia de relevncia crtica na definio da escolha do mtodo de construo esto relacionadas porcentagem do material granular presente no rejeito, densidade relativa dos gros, estudo do potencial de liquefao e grau de consolidao do rejeito, alm de suas caractersticas de permeabilidade e solubilizao. Na disposio dos rejeitos, alm dos aspectos de construo e segurana, pode ser requerido que o reservatrio formado seja estanque para impedir a infiltrao dos efluentes danosos qualidade das guas como, por exemplo, solues contendo cianetos, metais pesados ou com pH muito cido.

Neste sentido, visando minimizar os impactos ambientais e os custos associados aos processos de conteno e recuperao de gua do processo, esses rejeitos, apesar de no possurem valor econmico direto, tm sido alvo de grande interesse por parte das empresas do setor de minerao, que vm procurando novas alternativas de disposio desses materiais. Desta forma, a adoo de novas metodologias para a disposio dos rejeitos oriundos das atividades de minerao tornou-se uma proposta no apenas vlida, mas estratgica. (Gomes, 2006).

Considerando que o principal problema relacionado estabilidade das estruturas de conteno citadas anteriormente refere-se, basicamente, aos procedimentos e efeitos relativos ao confinamento da gua residual do processo em barragens convencionais, a

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adoo de novas metodologias baseadas no desaguamento dos rejeitos tambm tem sido estudada por meio de tcnicas de espessamento do rejeito, reduzindo a incorporao da gua residual ao produto final resultante.

Neste caso, o reaproveitamento imediato de grandes volumes de gua diretamente a partir de espessadores, em relao aos procedimentos para recuperao da gua e de seu retorno planta industrial, a partir da polpa acumulada e do reservatrio formado em barragens (cujas perdas so de difcil previso), constitui a feio mais relevante desta tecnologia, alm do ganho em volume que isto representaria numa rea de disposio. Apesar do custo relativamente elevado desta tcnica, do ponto de vista geotcnico e ambiental, adicionalmente, a disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta incorpora as seguintes vantagens (ainda que considerando que estes aspectos referem-se, muitas vezes, a previses de comportamento, uma vez que tais tecnologias so muito recentes): menor rea para disposio; maior vida til; maior recuperao de gua; maior densidade e estabilidade das estruturas de disposio; menor susceptibilidade liquefao e a rupturas catastrficas; menor potencial de contaminao das guas subterrneas; maior recuperao dos reagentes utilizados nos processos de tratamento; maior facilidade de acelerao dos procedimentos de reabilitao das reas degradadas.

Por fim, outra metodologia alternativa que merece destaque e que tambm tem sido estudada em algumas minas no Brasil e no mundo, est relacionada disposio destes materiais em reas j mineradas, e em depsitos especficos, juntamente com o estril da mina, atravs da co-disposio ou disposio combinada destes materiais (rejeitos e estreis). Esta disposio pode se dar em ambientes confinados, como o caso da

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disposio destes resduos em cavas exauridas, ou at mesmo em barragens de conteno e pilhas de estril, conformando parte do barramento ou o prprio depsito.

Desta forma, um estudo detalhado das caractersticas tecnolgicas e condies do rejeito a ser depositado de fundamental importncia como condicionante de projeto e parmetro de viabilidade, considerando a enorme variabilidade operacional da planta de beneficiamento e, conseqentemente das condies dos rejeitos e de sua disposio.

Face a estas novas condicionantes e perspectivas, uma proposta de avaliao de implementao de metodologias alternativas para disposio de rejeitos, a partir de uma caracterizao tecnolgica destes materiais envolvendo ensaios de campo e laboratrio, torna-se imperativa para quantificao da relao custo-benefcio de um dado empreendimento mineral.

O objetivo fundamental dessa dissertao avaliar tais propostas alternativas para um estudo de caso de uma minerao de ferro situada na regio do Quadriltero Ferrfero, no estado de Minas Gerais. Estes estudos compreendem a caracterizao tecnolgica dos rejeitos gerados no empreendimento minerrio de Casa de Pedra, de propriedade da Companhia Siderrgica Nacional - CSN, localizado no municpio de Congonhas-MG, visando definio e a avaliao da aplicabilidade de metodologias alternativas de disposio de rejeitos propostas, quais sejam: disposio de rejeito granular na forma de aterro hidrulico (pilha de rejeito), disposio de rejeitos desaguados (espessados) e/ou em pasta e a co-disposio de rejeitos e estreis em superfcie.

1.2 - ESCOPO DA DISSERTAO

Essa dissertao apresenta-se dividida em seis captulos. No Captulo 1 so apresentados os objetivos e as justificativas, como tambm o escopo geral do estudo proposto.

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No Captulo 2 apresentada uma reviso bibliogrfica sobre as metodologias de disposio de rejeitos propostas nesse trabalho, compreendendo histrico e consideraes sobre as tcnicas abordadas, aplicao das tcnicas e suas principais caractersticas, vantagens e desvantagens dos mtodos, alm de critrios de aplicabilidade, condicionantes de projeto, melhorias das condies de segurana e correlaes empricas abordadas.

No Captulo 3, encontra-se apresentada uma breve descrio do processo de gerao e produo de rejeitos de ferro da Minerao Casa de Pedra, incluindo uma caracterizao geral do processo de beneficiamento adotado, uma descrio das estruturas e do atual sistema de disposio de rejeitos da minerao estudada e, por fim, uma descrio dos projetos de expanso das estruturas de conteno de rejeitos e previso de construo das futuras barragens.

Com base na caracterizao tecnolgica dos rejeitos de ferro da Minerao Casa de Pedra, no Captulo 4, so apresentados os principais resultados obtidos a partir de ensaios de campo e laboratrio realizados em amostras representativas dos rejeitos gerados no processo de beneficiamento e, atualmente, dispostos nas estruturas de conteno e barragens existentes (Barragem Casa de Pedra).

No Captulo 5, faz-se uma avaliao das metodologias de disposio para os rejeitos de Casa de Pedra, a partir dos resultados de caracterizao tecnolgica dos rejeitos. Nesse captulo, para cada metodologia de disposio proposta, so apresentadas as principais premissas e critrios de referncia, as condies de aplicabilidade ao rejeito da CSN, alm dos estudos complementares propostos.

No Captulo 6 encontram-se apresentadas as concluses dos estudos desenvolvidos nesta dissertao, incluindo-se tambm algumas sugestes para pesquisas futuras.

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CAPTULO 2

METODOLOGIAS REJEITOS

ALTERNATIVAS

DE

DISPOSIO

DE

Nesse captulo, ser apresentada uma reviso bibliogrfica de trs metodologias alternativas de disposio de rejeitos, consideradas no convencionais, quando comparadas ao sistema de disposio de rejeitos em forma de polpas minerais contidas em barragens de terra e/ou bacias de rejeito. Essas metodologias foram consideradas no estudo proposto e sero avaliadas como alternativas de disposio para os rejeitos gerados na Minerao Casa de Pedra, considerando as vantagens que estes mtodos apresentam em relao s prticas convencionais de disposio, principalmente em termos da necessidade de menores reas de disposio e, conseqentemente, de impactos ambientais mais reduzidos.

2.1 - DISPOSIO DE REJEITOS GRANULARES NA FORMA DE ATERRO HIDRULICO 2.1.1 - Histrico e Consideraes Sobre a Tcnica de Disposio Hidrulica Segundo Moretti e Cruz, citado em Cruz (1996), a hidromecanizao pode ser caracterizada como a atividade que envolve um conjunto de tcnicas relacionadas explotao, transporte e deposio de qualquer material slido em uma rea predeterminada, com o auxlio de gua ou outro tipo de fluido. Os aterros construdos por meio de hidromecanizao so comumente denominados como aterros hidrulicos. A Figura 2.1 a seguir apresenta o aspecto de um aterro formado com o rejeito de minerao, construdo pela tcnica de aterro hidrulico.

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Figura 2.1 Exemplo de pilha de rejeito construda pela tcnica de aterro hidrulico. (Espsito, 2000) Durante anos, o processo de hidromecanizao foi utilizado na construo de diques, desvios de rios, barragens de conteno de sedimentos e barragens de conteno de cheias, sendo utilizado, entretanto, sem tcnicas de projeto e metodologias construtivas que minimizassem os riscos de potenciais rupturas. A Holanda foi um dos primeiros pases a utilizar a tcnica de aterro hidrulico, por volta do Sculo XVII, obtendo grande sucesso na remoo de sedimentos de portos e canais, e nos processos de recuperao de reas abaixo do nvel do mar, atravs de atividades de dragagem. Alm da Holanda, outro pas pioneiro nesta tcnica foi o Canad, por meio da utilizao de dragagem para escavao do canal de Suez em 1856. Mais recentemente, entre 1947 e 1973, mais de 100 estruturas de projetos hidreltricos foram construdas utilizando o processo de hidromecanizao nos pases que formavam a antiga Unio Sovitica (Morgenstern & Kpper, 1988). A metodologia de disposio baseada na tcnica de aterro hidrulico foi aprimorada pelos americanos, iniciada durante o perodo de explorao de ouro na Califrnia (HSU, 1988). Inicialmente as barragens de aterro hidrulico soviticas foram construdas de forma similar americana, sendo gradualmente adaptadas experincia acumulada na construo de diversas usinas hidreltricas. A partir de 1973, a experincia sovitica gerou critrios e prescries especficas.

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Inicialmente, a seo tpica de uma barragem de aterro hidrulico era constituda por um talude de montante com inclinao 1V:3H, um talude de jusante com inclinao 1V:2H e um ncleo impermevel de argila. Entretanto, a falta de controle construtivo levava comumente ruptura destas estruturas ainda na fase de construo, em funo do lento processo de adensamento do material do ncleo, normalmente de alta plasticidade, em oposio s altas velocidades de lanamento do aterro. A experincia brasileira com a aplicao da metodologia de aterro hidrulico envolveu cerca de dezesseis aterros de baixa altura, construdos entre 1906 e 1945, adotando-se principalmente a metodologia americana. Estas estruturas tinham, em mdia, 30m de altura e foram construdas a partir de um ncleo de argila siltosa e com espaldares de areia fina lanados hidraulicamente, destacando-se, pela importncia e tamanho, as barragens executadas ao longo dos rios Grande e Guarapiranga. Embora essas barragens tenham apresentado um desempenho satisfatrio, a falta de controle do mtodo de lanamento sempre representou uma grande dificuldade em termos de se prever o real comportamento do material depositado, bem como da estabilidade da estrutura como um todo, causando restries e dvidas sobre o mtodo de hidromecanizao. Como sntese desta abordagem geral, constata-se que, embora com muitas restries devido principalmente execuo de projetos inadequados e falta de controle dos mtodos construtivos, que resultaram em uma srie de rupturas de estruturas dessa natureza, a tcnica de aterro hidrulico, desde que bem controlada e bem avaliada tecnicamente, pode ser considerada como uma excelente alternativa de construo, principalmente quando aplicada disposio de resduos tais como os rejeitos oriundos das plantas de beneficiamento da minerao. Estes condicionantes e as principais vantagens da tcnica de aterro hidrulico aplicada a barragens de conteno de rejeitos so detalhadas no tpico a seguir.

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2.1.2 - Aplicao da Tcnica de Aterro Hidrulico s Barragens de Conteno de Rejeitos Visando principalmente diluir os custos envolvidos na implantao de uma barragem convencional para conteno de rejeitos, estes, quando granulares, so usualmente utilizados pelas mineradoras como materiais de construo do prprio barramento, sendo, ento, realizados alteamentos sucessivos conforme cronograma construtivo e de acordo com a sua gerao na planta. Neste caso, o rejeito granular tambm transportado e depositado por meio da tcnica de aterro hidrulico, conformando a barragem alteada com rejeito e formando a praia, poro do reservatrio mais prxima barragem, que recebe este nome devido s suas caractersticas que proporcionam o afastamento da lmina dgua em relao ao barramento. A Figura 2.2 a seguir apresenta o aspecto de uma praia de rejeito, formada pela tcnica de aterro hidrulico.

Figura 2.2 - Praia de rejeitos formada pela tcnica de aterro hidrulico. (Espsito, 2000) A tcnica de disposio envolve, inicialmente, a construo de um dique de partida, geralmente composto por solo ou material de enrocamento. Os alteamentos comeam a ser executados com o rejeito, somente aps a implantao deste dique, que ter a funo de conter o rejeito lanado hidraulicamente. A partir da, o rejeito lanado a montante da periferia da crista, formando uma praia, a qual servir de fundao para o prximo alteamento.

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O rejeito utilizado como material de construo depositado fazendo uso dos espigotes (canhes de lanamento), distribudos ao longo da crista da barragem e dispostos conforme a necessidade de formao da praia. Em alguns casos, o rejeito j lanado pode ser retrabalhado por meio de ps carregadeiras e/ou tratores, o que tende a alterar a distribuio granulomtrica original oriunda da segregao hidrulica. De acordo com a natureza do minrio e com o processo de beneficiamento na planta, quando o rejeito no apresenta caractersticas adequadas em termos de distribuio granulomtrica, resistncia e/ou permeabilidade, estes devem ser tratados por meio do chamado processo de ciclonagem, realizado por equipamentos conhecidos como hidrociclones ou apenas ciclones, que fazem uma separao das fraes granulomtricas dos rejeitos. Entretanto, deve-se estar atento ao fato de que este procedimento s ser consistente quando no ocorrer diferenas de densidades relativas entre as fraes granulomtricas (Ribeiro, 2000). Os hidrociclones so estruturas metlicas ou de plstico em forma cilndrica-cnica, com uma entrada lateral na parte superior para a polpa, e com duas sadas, uma inferior para o underflow ou material mais grosso e outra superior, para o overflow ou material mais fino (Figura 2.3). A primeira funo da ciclonagem a de proporcionar a retirada da gua da polpa, sendo esta, normalmente realizada nas proximidades da prpria usina de beneficiamento, visando a recirculao da gua no processo industrial. A segunda funo a partio granulomtrica, nas parcelas correspondentes ao overflow e ao underflow. Esta segunda funo, normalmente, realizada prxima barragem, visando utilizao dos rejeitos mais grosseiros na conformao do barramento. A Figura 2.4 apresenta uma seqncia de hidrociclones localizados na crista de uma barragem de conteno de rejeitos, utilizados para a separao do material para formao do barramento.

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CABEALHO DA MENSAGEM (CAPA DO DOCUMENTO) (ALT+ E)SUBTTULO

(ALT+T,S)

Ttulo (Alt+U)Figura 2.3 - Esquema bsico de um hidrociclone.

Figura 2.4 Srie de hidrociclones localizados na crista de uma barragem. Independente do tipo de tratamento e das tcnicas de descarte da polpa, as propriedades e as caractersticas que governam o desempenho adequado de aterros construdos via descarga hidrulica passam, necessariamente, pela composio da mistura e pelo mtodo de disposio (Ribeiro, 2000).

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As principais variantes que caracterizam a composio da mistura esto relacionadas ao tipo de fluido, granulometria e concentrao da polpa, esta ltima com influncia direta no processo de segregao dos slidos, ou seja, na tendncia da frao slida a sedimentar, criando um gradiente de concentrao dentro do conjunto. As caractersticas do mtodo de deposio so condicionadas pela velocidade de descarga, concentrao da polpa e espaamento dos canhes utilizados. O comportamento da segregao ou no dos slidos da polpa pode ser entendido como fator crtico no dimensionamento e operao destas estruturas. As polpas no segregveis tendem a gerar praias mais ngremes, com granulometria constante e baixa densidade. Caso contrrio, o processo de segregao tende a gerar praias mais densas e planas, com a granulometria variando a partir do ponto de descarga. Diferentemente dos aterros convencionais, cuja densidade aumenta com o aumento da energia de compactao, Kpper (1991) relata que, nos aterros hidrulicos, o aumento da densidade in situ obtido por meio de elevadas vazes, baixas concentraes de polpa e baixas velocidades de fluxo, comprovando-se tambm a influncia da segregao no processo de densificao do aterro. O processo de segregao hidrulica constitui um fenmeno bastante complexo nos rejeitos de minrio de ferro, em virtude da interao de diferentes granulometrias e densidades dos gros de slica e dos xidos de ferro. Devido a essa grande variabilidade, torna-se difcil avaliar o comportamento dessas estruturas (Ribeiro e Assis, 2002, citado em Cavalcante, 2004). Considerando o processo de segregao, a concepo clssica proposta por Kealy e Busch (1971), em Vick (1983), citado em Cavalcante (2004), prev a existncia de trs zonas distintas na praia: uma de alta permeabilidade formada pelos rejeitos granulares, situada prxima ao ponto de descarga, uma de baixa permeabilidade, situada distante deste ponto e uma intermediria, entre as duas primeiras. Entretanto, a presena do ferro no rejeito faz com que esta deposio gere uma segregao hidrulica bem diferente da tradicionalmente conhecida. As partculas de slidos mais finas, porm mais densas do

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minrio de ferro, tendem a se depositar prximo ao ponto de descarga, mais facilmente do que as partculas mais grossas, porm mais leves, do minrio de quartzo. A partir da, ocorre a deposio das partculas mais grossas do minrio de quartzo, e nos pontos mais distantes ocorre a deposio das partculas mais finas e mais leves. Nestas condies, prximo ao ponto de descarga e nos pontos mais afastados, tm-se regies com menores condutividades hidrulicas, com uma regio central onde a permeabilidade maior (Ribeiro, 2000). Ao longo da praia, aps a lama ser descartada, os gros tendem a depositar ou fluir prximo superfcie do aterro sob diferentes regimes de fluxo, sendo estas condies as principais responsveis pela morfologia da praia e pela gerao de diferentes formas de leito que podem ser caracterizadas por camadas planas e onduladas, de acordo com a velocidade e natureza do fluxo, tamanho do sedimento e forma da superfcie do fundo da camada. Alm da alterao dos leitos de superfcie, as condies de fluxo e as caractersticas do sedimento tambm condicionam a formao de diferentes feies morfolgicas da praia. Assim, a anlise do tipo de mecanismo de deposio e a influncia das condies mencionadas acima so de fundamental importncia para avaliao da geometria do depsito formado, o que pode ser estabelecido por meio da realizao de ensaios de simulao em laboratrio ou no prprio campo por ensaios em modelos-piloto. Em resumo, a variabilidade dos depsitos de rejeitos formados por aterro hidrulico est associada a diferentes fatores: (Ribeiro, 2000)

Fatores externos, relativos s caractersticas do processo de deposio, como a velocidade de descarga, vazo e concentrao da lama ou mistura e altura e inclinao do canho de lanamento; Fatores internos, relativos mistura (polpa), caracterizados pelas caractersticas dos gros, densidade e viscosidade do fluido;

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Fatores relacionados ao regime de fluxo e interao entre as camadas de superfcie e forma do leito.

A tcnica de aterro hidrulico, no caso da utilizao do prprio rejeito para conformao do barramento, permite que a barragem seja construda sem a necessidade de aporte de grandes investimentos iniciais, uma vez que os alteamentos ocorrem concomitantemente gerao do rejeito na planta, alm de permitir a construo do macio em vrias etapas, amortecendo tambm os investimentos a longo prazo. Grishin (1982), citado em Cavalcante (2004), apresenta algumas vantagens operacionais dos aterros hidrulicos em comparao com as barragens convencionais: alta taxa de construo (at mais de 200.000 m3 por dia), possibilidade de construo de aterros submersos, simplicidade dos mecanismos utilizados, menos trabalho humano e custo unitrio menor. Mesmo sendo uma tcnica atrativa para as mineradoras, as barragens de rejeito construdas por aterro hidrulico no apresentavam um controle tcnico rigoroso, possivelmente pelo descaso tcnico que era associado a estas obras no passado. Atualmente, pela imposio dos rgos ambientais e mesmo devido aos riscos associados s obras, o panorama geral de controle e segurana deste tipo de estrutura tem mudado radicalmente. Considerando as dificuldades intrnsecas relacionadas a aterros construdos

hidraulicamente pelo mtodo de montante, como por exemplo: dificuldade de controle da superfcie fretica, reduo da capacidade de armazenamento, susceptibilidade ao piping, gerao de superfcies erodveis e probabilidade de liquefao (rejeitos granulares, fofos e saturados), tais estruturas devem ser implantadas e operadas com rigoroso controle de campo e acompanhamento das obras, visando um maior entendimento do comportamento geotcnico dos aterros hidrulicos e um maior controle na qualidade do processo construtivo.

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2.1.3 - Critrios de Aplicabilidade da Tcnica de Aterro Hidrulico

Conforme apresentado anteriormente, as partculas slidas da polpa de rejeitos apresentam maior segregao para altas vazes, baixas concentraes de polpa e baixas velocidades de fluxo, aumentando tambm a densidade in situ, que se apresenta como benefcio adicional para o aumento da vida til destas estruturas, alm de propiciar maior segurana com relao a sua estabilidade. Com base na experincia sovitica de construo de aterros hidrulicos, a especificao SNIP-II-53-73, relatada em Kpper (1991), considera como material razovel para segregao hidrulica, aquele que atende ao seguinte critrio:

D60 > 2,5 D10D90 > 5,0 D10

(3.1a)(3.1b)

A Figura 2.5 apresenta as prescries da norma sovitica, sobre barragens construdas pela tcnica de aterros hidrulicos, que divide os solos em cinco classes distintas, cada uma delas associada a um tipo especfico de seo. Conforme citado em Ribeiro (2000), a norma sovitica recomenda que sejam utilizados como materiais de construo de aterros hidrulicos preferencialmente os solos correspondentes aos grupos I e II, devendo ser utilizados em barragens e aterros de seo homognea e heterognea, respectivamente. Os materiais com as caractersticas do grupo V somente devem ser utilizados na construo dos espaldares e os do grupo IV como material do ncleo. Com relao aos solos do grupo III, algumas restries e cuidados devem ser tomados, principalmente com relao s velocidades de lanamento.

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Figura 2.5 - Grupos de materiais de emprstimo de acordo com a norma SNIP-II-53-73 (modificado - Moretti & Cruz, 1996, citado em Ribeiro, 2000). Devido aos problemas de ordem construtiva e as rupturas associadas a estas estruturas, Hazen (1920), citado em Cavalcante (2004), props algumas medidas de controle construtivo que deveriam ser incorporadas aos projetos de aterro hidrulico, tais como: uso de enrocamentos de p como medida de controle de infiltraes e estabilizao dos taludes de jusante; remoo das fraes finas coloidais do ncleo, admitindo-se um mximo de 10% de partculas com dimetro inferior a 0,01 mm, como medida de acelerao do processo de adensamento do ncleo ainda na fase de construo; reduo da largura do ncleo e aumento da largura do espaldar como medida de estabilizao do aterro; e reduo dos ndices de vazios por compactao dos espaldares arenosos, como medida de segurana contra a possibilidade de ruptura por liquefao. Espsito (2000) cita medidas complementares que incluem rebaixamento da linha fretica, densificao do rejeito, utilizao de material drenante e utilizao de camadas intermedirias com materiais granulares mais grossos, alm de medidas corretivas especficas no caso de problemas como galgamento (overtopping), eroses superficiais, eroses devido percolao (piping), instabilidade de taludes e liquefao.

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Melentev et al. (1973) e Yufin (1965), citado em Cavalcante (2004), relatam recomendaes baseadas na experincia sovitica, definindo a distribuio granulomtrica do material como a mais importante caracterstica a ser observada em aterros hidrulicos. Outras recomendaes so a eliminao de ncleos de alta plasticidade, adoo de estruturas homogneas e taludes abatidos. Segundo Chammas (1989), citado em Cavalcante (2004), os prprios rejeitos podem ser utilizados como material de construo, desde que seja adotado em conjunto as seguintes medidas: separao da frao grossa e da lama, sendo utilizada apenas a frao areia para construo do aterro; controle dos procedimentos de separao granulomtrica; drenagem interna eficiente; e compactao dos rejeitos e proteo superficial. Assis e Espsito (1995) propem uma metodologia de controle da qualidade durante a construo dos aterros hidrulicos, baseada nos seguintes princpios: medida em campo da variabilidade das massas especficas secas e dos gros; determinao da porosidade e determinao da sua freqncia calculada em funo da densidade in situ, dos gros e da umidade; obteno dos parmetros geotcnicos em laboratrio; correlaes entre a porosidade e os parmetros encontrados; distribuio estatstica dos parmetros geotcnicos; clculo da mdia e do desvio padro da distribuio granulomtrica; anlise probabilstica da estabilidade e percolao; avaliao do comportamento da barragem e anlise de risco. Diante do exposto e considerando que o arranjo fsico da praia pode ser alterado em funo das caractersticas do material a ser depositado, do mtodo de descarga e do processo de segregao, ensaios de simulao de deposio hidrulica (flume) tm sido realizados, aplicado aos estudos de geometria dos aterros hidrulicos (Ferreira et al., 1980; Blight et al., 1985; de Groot et al., 1988; Winterwerp et al., 1990; Fan & Masliyah,1989; Kpper, 1991; Ribeiro et al., 1998; citado em Gomes et. al., 2002).

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2.1.4 Parmetros Geotcnicos dos Materiais de Aterro Hidrulico

Do ponto de vista geotcnico, os materiais utilizados como aterro hidrulico (solos de emprstimo ou rejeitos de minerao) so complexos em termos de amostragem e inspeo, com comportamento dominado basicamente pela composio, densidade insitu, estrutura e estado de tenso. Neste sentido, ensaios de campo e de laboratrio tm

sido utilizados, sendo que os ensaios de campo visam contornar os problemas relativos obteno de amostras representativas da realidade de campo. A avaliao dos parmetros de resistncia dos rejeitos granulares constitui um elemento fundamental para a elaborao dos projetos de disposio superficial destes materiais, principalmente quando utilizados como material constituinte dos alteamentos destas estruturas, implicando necessariamente a identificao do estado de densidade e dos parmetros de resistncia ao cisalhamento do material constituinte do depsito. Considerando as limitaes da fixao rigorosa de ndices de vazios e estados de compacidade em praias de rejeitos e sua reproduo em ensaios de laboratrio, diversas correlaes empricas e semi-empricas tm sido propostas para a determinao do ndice de densidade ou densidade relativa com diferentes parmetros geotcnicos, particularmente ngulos de atrito (Figura 2.6).

Figura 2.6 - Correlaes entre valores de ngulos de atrito e de densidades relativas para solos granulares (Schmertman, 1978, modificado - citado em Ribeiro, 2000).

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Estas correlaes so ainda incipientes em termos de resultados de ensaios in situ em depsitos de rejeitos. A Figura 2.7 apresenta alguns destes resultados obtidos para rejeitos de minrio de ferro da regio do Quadriltero ferrfero de Minas Gerais, com base em resultados de ensaios CPTU (Albuquerque Filho, 2000, citado em Gomes et. al 2002).ndice de densidade (%)0 0 2 4 20 40 60 80 100

ngulo de atrito efetivo ()22 0 2 4 24 26 28 30

Profundidade (m)

6 8 10 12 14 16 18 20

Profundidade (m)

6 8 10 12 14 16 18 20

Figura 2.7 Resultados de ensaios conepenetromtricos realizados na praia da barragem de conteno de rejeitos de minrio de ferro de Gongo Soco (Albuquerque Filho, 2000). Com base em correlaes entre parmetros geotcnicos dependentes, torna-se possvel verificar as mudanas no comportamento da estrutura e quantificar as variaes nos parmetros geotcnicos durante a formao do depsito pela deposio hidrulica. A importncia da caracterizao da densidade justificada pela necessidade de se garantir a estabilidade da estrutura, uma vez que depsitos fofos e saturados, estratificaes e variaes granulomtricas geram uma grande variabilidade nos parmetros geotcnicos associados aos aterros hidrulicos.

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Potencialmente crtico nestas condies a possibilidade da formao de depsitos com baixas densidades que, aliada ao estado saturado e a uma baixa granulometria do material depositado, podem viabilizar mecanismos de liquefao, tanto sob solicitaes estticas como dinmicas (Pereira, 2005, citado em Cavalcante, 2004). Correlaes entre teores de ferro (Fe) e densidades de partculas de rejeitos de minrio de ferro foram apresentadas por Espsito (2000) e Lopes (2000), cujos resultados esto sistematizados na Figura 2.8. Constata-se uma variao incremental bastante caracterstica da densidade dos gros com o aumento do teor de Fe presente no rejeito estudado.

Figura 2.8 - Relao entre massas especficas dos gros e teores de ferro em rejeito de Fe (Espsito, 2000; Lopes, 2000, modificado, citado em Hernandez, 2002). Visando estabelecer uma relao entre a variao do teor de ferro, a densidade especfica dos gros, a granulometria dos materiais depositados e a resistncia ao cisalhamento, Lopes (2000) apresenta a relao de dependncia do ngulo de atrito com a porosidade e a granulometria do material (Figura 2.9), tomando como base a clara relao existente entre a porosidade e os parmetros de resistncia, assim como o

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princpio de que cada amostra caracterizada por um teor de ferro, e apresenta uma granulometria determinada que pode ser representada por seu respectivo valor de D50. Presotti (2002), citado em Albuquerque Filho (2004), avaliou a influncia do teor de ferro nos parmetros de resistncia dos rejeitos granulares de Morro Agudo. A realizao de ensaios triaxiais drenados permitiu atestar o aumento do ngulo de atrito com o teor de ferro nas amostras de rejeitos. Adicionalmente, observou-se uma tendncia de aumento dos valores de ndice de vazios mximo e mnimo com a reduo do dimetro dos gros e com o acrscimo da presena de ferro nas partculas.

Figura 2.9 - Relao de dependncia do ngulo de atrito com a porosidade e a granulometria (Lopes, 2000). Outro aspecto importante j levantado nos itens anteriores diz respeito ao potencial de liquefao dos rejeitos, principalmente no caso de depsitos com elevados ndices de vazios e um complexo processo de segregao das partculas, em face das diferentes densidades dos minerais presentes. Assim, anlises e estudos experimentais tm sido implementados a partir de ensaios triaxiais, executados em condies no-drenadas e sob diferentes estgios de tenses (Casagrande, 1975; Poulos et al., 1985; Sladen et al., 1985; Verdugo et al., 1991; Ishihara, 1993; Tibana et al., 1998, Gomes et al., 2002, Pereira, 2005; citado em Gomes et. al., 2002). A Figura 2.10 apresenta resultados

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tpicos destes estudos para o caso de um rejeito de minrio de ferro do Quadriltero Ferrfero, com as respectivas trajetrias de tenses apresentadas na Figura 2.11. A partir dos resultados de ensaios triaxiais CIU, possvel avaliar a evoluo das poropresses geradas durante as fases de carregamento, sob condies de cisalhamento no drenadas, permitindo-se, assim, uma avaliao do potencial de liquefao dos rejeitos sob carregamento esttico.

Figura 2.10 - Resultados de ensaios CIU para rejeitos de minrio de ferro (Gomes et al., 2002).

Figura 2.11 - Trajetria de tenses dos ensaios para o rejeito de minrio de ferro (Gomes et al., 2002).

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Conforme pode ser observado nas Figuras 2.10 e 2.11, o rejeito em questo apresenta caractersticas de uma areia siltoso, com poropresses geradas nas fases iniciais de carregamento bastante elevadas, induzindo um comportamento colapsvel dos rejeitos sob baixas deformaes, demonstrando tambm um comportamento de tipicamente de contrao destes rejeitos sob cisalhamento em condies no drenadas. (Gomes et. al. 2002).

2.2 - DISPOSIO DE REJEITOS DESAGUADOS (ESPESSADOS) E/OU EM PASTA 2.2.1 - Histrico e Princpios da Tcnica de Disposio de Rejeitos Espessados

Dependendo da magnitude e do processo de desaguamento (retirada de gua) da polpa de rejeito fino, oriunda do processo de beneficiamento do minrio, os rejeitos podem apresentar diferentes estados fsicos (polpa, pasta ou massa tipo torta), com comportamentos geotcnicos distintos (Gomes, 2006). Normalmente, o processo de desaguamento realizado por meio de espessadores de grande porte ou em potentes filtros a vcuo (no caso de rejeitos filtrados), implicando em ltima instncia, em um aumento do teor de slidos e na melhoria dos parmetros de resistncia do material. Do ponto de vista subjetivo, entende-se um rejeito em pasta como sendo aquele que apresenta uma consistncia tpica de pasta de dente, no tende a fluir facilmente quando no confinado e no libera gua durante a sua disposio final. Entretanto, rejeitos espessados de alta densidade tambm tendem a exibir, pelo menos em certa medida, tais caractersticas, podendo ser definido como uma massa viscosa que no apresenta segregao e nem libera, na disposio, significativas quantidades de gua. Uma conceituao mais objetiva caracteriza os rejeitos em pasta como sendo rejeitos espessados que incorporam algum tipo de aditivo, de forma a se obter a consistncia tpica destes materiais.

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Assim, no contexto dos projetos de sistemas de disposio de rejeitos, a premissa bsica atualmente refere-se natureza e caracterizao tecnolgica do que se entende como rejeito. Ao conceito vigente de rejeito sob a forma de polpa (mistura slido - gua tipicamente passvel de segregao), incorporam-se vrios conceitos, que caracterizam os seguintes tipos principais (Gomes, 2006): Rejeitos espessados (thickened tailings) - rejeitos desaguados parcialmente, mas que apresentam ainda a consistncia de uma polpa, com alto teor de slidos e ainda passvel de bombeamento; Rejeitos em pasta (paste tailings) - rejeitos espessados mediante a incorporao de algum tipo de aditivo qumico (tipicamente um agente hidratante); Rejeitos filtrados a mido (wet cake tailings) - rejeitos na forma de uma massa saturada ou quase saturada, no mais passvel de bombeamento; Rejeitos filtrados a seco (dry cake tailings) - rejeitos na forma de uma massa no saturada (grau de saturao tipicamente entre 70% e 85%), no passvel de bombeamento.

Na Figura 2.12, so apresentados os aspectos visuais de pastas de rejeito, considerando diferentes graus de espessamento.

Figura 2.12 Exemplos tpicos de rejeitos espessados.

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Laudriault (2002), citado em Osorio (2005), correlaciona em um grfico esquemtico, as tenses de escoamento em funo da porcentagem de slidos da mistura (Figura 2.13), destacando diferentes estados de consistncia de rejeitos: polpa, polpa de alta densidade, pasta e torta, indicando-se tambm alguns dos equipamentos utilizados nas tarefas de desaguamento, bombeamento e filtrao dessas misturas slido-lquido, os regimes e velocidades de fluxo possveis e as caractersticas de segregao das partculas slidas.

Figura 2.13 Caracterizao de diferentes tipos de rejeitos (Laudriault, 2002, modificado, citado em Osorio, 2005). Jewell et al. (2000), citado em Martin et al. (2002), propem o seguinte sistema de classificao para os diferentes tipos de rejeitos: Um valor de tenso de escoamento da ordem de (200 25) Pa (no ponto de descarga do sistema) proposta para a definio do ponto de transio entre rejeitos em polpa e pasta;

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Rejeitos espessados podem ser subdivididos em baixa, mdia e alta densidade, conforme o grau de desaguamento e espessamento; O termo polpa usualmente utilizado para rejeitos espessados que podem fluir a uma distncia suficiente a partir do ponto de descarga, ao longo da superfcie de deposio. Em um sistema de deposio deste tipo de rejeito, normalmente, bombas de deslocamento positivo so requeridas para o seu transporte; O termo pasta pode ser empregado para rejeitos espessados de alta densidade, com caractersticas de baixo fluxo e viscosidade apropriada. Atualmente as pastas so preparadas para sua utilizao como material de preenchimento em minas subterrneas (backfill ou pastefill), mas este sistema tambm pode ser requerido para disposio de rejeitos em superfcie; A transio entre a pasta e a torta (cake) pode ser definida, subjetivamente, de acordo com a suas consistncias; a pasta apresenta um estado plstico e a torta apresenta um estado semi-slido; Outros dois termos utilizados esto relacionados a rejeitos filtrados a mido (wet cake tailings) e a rejeitos filtrados a seco (dry cake tailings).

A tcnica de disposio de rejeitos espessados ou TTD - Thickened Tailings Disposal foi introduzida pioneiramente por Robinsky (1968), citado em Robinsky (2002), inserida como uma tcnica alternativa vivel para disposio dos rejeitos gerados nas mineraes, frente aos potenciais riscos inerentes disposio de rejeitos em formas de polpa em barragens convencionais e/ou frente falta de controle durante o processo construtivo de aterros hidrulicos, embora este ltimo tambm apresente vantagens com relao s barragens convencionais. Segundo Slotte et al. (2005), a tecnologia de rejeitos espessados ou em pasta tem-se mostrado como um mtodo eficaz de disposio de rejeitos, no intuito de recuperao de gua e, principalmente, como alternativa vivel metodologia de disposio em barragens de rejeito.

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A aceitao da metodologia de disposio de rejeitos em pasta, em especial na maioria das mineraes, foi bastante incrementada ao longo da ltima dcada, desde que as primeiras plantas modernas foram construdas no Canad. O uso de espessadores de alta densidade para produo de pastas no-segregveis, durante os ltimos anos, foi praticado na Austrlia para disposio do rejeito (lama vermelha) gerado no processamento da alumina (Slotte et al., 2005). A tecnologia de pastas de rejeito progrediu principalmente atravs de pesquisa baseada em sua disposio no subsolo como material de preenchimento nas minas subterrneas (backfill ou pastefill), apresentando tambm elevado potencial para sua disposio em superfcie, minimizando os riscos associados disposio de rejeitos (polpa) em barragens convencionais. Isto se deve ao fato da quase inexistncia de um componente lquido e, conseqentemente, de grandes riscos no sentido que os rejeitos possam ser transportados para jusante devido a uma eventual ruptura ou falha do sistema. A mina de Bulyanhulu na Tanznia, que iniciou sua operao em maro de 2001, tornou-se a primeira mina no mundo a adotar uma soluo total de pasta para todos seus rejeitos, atravs da utilizao de uma parcela do rejeito gerado como material de preenchimento no subsolo (backfill) e o restante disposto em superfcie em forma de pasta. Deste volume, 25% dos rejeitos produzidos so transformados em pasta misturada com material estril para preenchimento e 75% dos rejeitos so dispostos em superfcie atravs de um sistema de tubulao com descarte em torres mltiplas (Theriault e al., 2003). A disposio de rejeitos como material de preenchimento de minas subterrneas, seja na forma de enchimento hidrulico com polpa convencional, seja na forma de pasta, ou at mesmo na forma de material consolidado, geralmente feita concomitantemente com o mtodo de lavra denominado cut and fill, onde o material de enchimento, rejeito ou estril, preenche os realces gerados pela explotao do minrio. Na atualidade so praticadas duas tcnicas de preenchimento de minas subterrneas, escolhidas em funo do objetivo perseguido. A primeira corresponde necessidade de preenchimento para formar um novo piso, a ser utilizado para desmontar a fatia de

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minrio imediatamente acima da rea lavrada. Neste caso o preenchimento, que ocorre obrigatoriamente junto com a lavra do minrio, pode se dar com a utilizao dos rejeitos da usina misturado com estril e areias (backfill ou pastefill). A segunda tcnica se aplica quando o preenchimento da cmara ou realce necessrio para garantir a manuteno permanente da estabilidade do macio rochoso. Neste caso o preenchimento pode se dar durante o processo de lavra ou quando do fechamento da mina, podendo ser realizado com argamassa constituda de rejeito (pastefill) e/ou estril, areia e cimento. Entretanto, quando a disposio da pasta realizada em superfcie, situao em que a demanda por maiores resistncias menor, no existe a necessidade de incorporao de cimento. A disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta, em superfcie, tornou-se necessria para armazenamento de rejeitos gerados a partir do processamento do minrio em minas a cu aberto, conduzindo tambm a possibilidade de utilizao de rejeitos desaguados para minimizao de grandes reas para sua disposio em superfcie. A Mina de Kimberley (frica do Sul), de propriedade da DeBeers CTP, um exemplo de disposio de rejeitos em pasta em superfcie, atravs da utilizao de uma planta de espessamento e de processamento de rejeitos em pasta (Houman, 2003, citado em Slotte et. al., 2005). No caso de rejeitos espessados ou sob a forma de pasta, a preparao inicial e a tcnica de transporte dos rejeitos tm tanta relevncia quanto os aspectos relacionados concepo e ao dimensionamento do sistema de distribuio em si. Assim, o comportamento geotcnico dos rejeitos nas reas de disposio vai depender de suas caractersticas reolgicas durante as fases de preparao e bombeamento. Segundo Slotte et al. (2005), as caractersticas reolgicas e de transporte da pasta so, principalmente, dependentes da frao das partculas finas (partculas menores que 20) presentes no rejeito. As caractersticas reolgicas de uma pasta so o resultado da interao das partculas slidas de diferentes dimetros e volumes, fazendo uma porcentagem de volume apropriado necessria para caracterizar a concentrao de slidos.

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A preparao de rejeitos espessados e/ou em pasta iniciada atravs de desaguamento mecnico, normalmente realizado em espessadores de grande porte (com mais de 50 m de dimetro em mdia e profundidades tpicas de 1 e 2 m), apresentando forma troncocnica. Um sistema de ps em movimento complementa a ao de remoo do material, sem adio de floculantes. Entretanto, com o forte desenvolvimento desta tecnologia aplicada a rejeitos e a adio de produtos floculantes de naturezas diversas, que incrementaram substancialmente os efeitos da sedimentao, os espessadores passaram a apresentar formas cnicas de reduzida rea transversal e relaes altura - dimetro maiores que 1. O conceito de espessadores de cone profundo (Figura 2.14) foi desenvolvido em 1960 nas mineraes de carvo localizadas na Inglaterra. Com o passar dos anos, a idia de espessamento em cones profundos foi combinada com as tcnicas de floculao utilizadas em plantas de flotao convencionais.

Figura 2.14 - Espessadores de alta densidade de cone profundo (Jewell, 2002) Numa segunda etapa, dependendo da necessidade de melhoria das condies de resistncia da pasta, o que ocorre normalmente quando o rejeito espessado utilizado como material de preenchimento de minas subterrneas, este encaminhado a uma planta especfica adicional, para a preparao da pasta atravs de adio de outros materiais componentes (estril, areia e/ou cimento), alm de seu condicionamento.

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No caso da Mina de Bulyanhulu anteriormente citada, o processo de preparao envolve inicialmente o desaguamento dos rejeitos para formao da pasta e a sua filtrao em filtros de disco, formando uma torta seca, que transportada por correia transportadora at a planta da pasta, onde a mesma preparada at atingir a consistncia desejada (Theriault et al., 2003). Considerando que a eficincia do processo est diretamente associada utilizao equilibrada entre o sistema de bombas, a viscosidade da pasta e a extenso da linha, as operaes de transporte desempenham funes essenciais num projeto de disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta. Assim, para o transporte da polpa espessada ou da pasta, considerando as elevadas tenses de escoamento induzidas pelo aumento da concentrao de slidos durante o processo de desaguamento e preparao, so utilizadas as chamadas bombas de deslocamento positivo, principalmente para presses de bombeamento superiores a 5 MPa (Gomes, 2006). Considerando o processo de preparao e transporte de rejeitos espessados e/ou em forma de pasta, o sistema de disposio final tende a apresentar uma conformao bastante distinta da praia de rejeitos em uma barragem convencional ou conformada sob a tcnica de aterro hidrulico. No caso de descarte dos rejeitos em reas planas ou irregulares, este ir se conformar segundo a topografia natural. No caso de vales ou taludes, a massa viscosa tende a fluir e a se adensar, ajustando-se topografia local ou sendo barrada por um dique de conteno jusante. No caso de reas planas, o descarte geralmente feito em um ponto central, conformando uma estrutura tipicamente cnica, de taludes suaves e uniformes. Uma vez depositada, a pasta continuar a fluir at se estabelecer as condies de equilbrio para a sua disposio final. Os mecanismos preliminares que envolvem estas caractersticas esto relacionados ao processo de adensamento da polpa espessada ou da pasta e ao processo de desidratao e ressecamento do material (evaporao). Ambos os processos envolvem a expulso e reduo da massa de gua dos rejeitos.

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A Figura 2.15 apresenta a conformao dos rejeitos sobre condies topogrficas distintas, considerando polpa de alta densidade (rejeito espessados) e pasta, em uma abordagem de cunho meramente qualitativo.

POLPA DE ALTA DENSIDADE

PASTA

A) SOBRE TERRENOS PLANOS SEM BACIAS

B) SOBRE TERRENO SUAVEMENTE INCLINADO OU PLANO

C) EM UM VALE

D) NA BASE OU P DE UMA MONTANHA

Figura 2.15 - ngulos de disposio para polpas de alta densidade e para pasta, para diferentes tipos de terreno (Laudriault, 2002, citado em Osorio, 2005) No exemplo apresentado da Mina de Bulyanhulu, aps o processo de preparao, uma vez atingido a consistncia desejada, a pasta bombeada com bombas de deslocamento positivo com duplo pisto, por uma tubulao de aproximadamente 1,6 Km at a bacia de disposio de rejeitos em pasta. No depsito, os rejeitos em pasta so depositados em camadas finas (mximo 0,3m) e a deposio realizada atravs de ciclos regulares, com o objetivo de se promover a desidratao e o ressecamento dos rejeitos prximos superfcie (Theriault et al., 2003).

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2.2.2 - Vantagens e Desvantagens da Tcnica de Disposio de Rejeitos Desaguados (Espessados) e/ou em Pasta

Uma das feies mais relevantes relacionada tecnologia de rejeitos espessados e/ou em pasta o reaproveitamento imediato de grandes volumes de gua diretamente a partir dos espessadores, em relao aos procedimentos para recuperao de gua e de seu retorno planta industrial, a partir da polpa acumulada em barragens convencionais, cujas perdas so, na maioria das vezes, de difcil previso. Segundo Newman et al. (2001), os benefcios ambientais associados com a disposio de pasta em superfcie podem ser divididos em dois aspectos principais: as caractersticas fsicas da prpria pasta e as vantagens operacionais associadas com a sua disposio. Com relao s caractersticas fsicas das pasta, as principais vantagens esto relacionadas quantidade inexpressiva de gua incorporada ao rejeito, minimizando a disponibilidade de gua livre necessria para gerar o percolado, principalmente no caso de rejeitos reativos. Outro aspecto que merece destaque a permeabilidade relativamente baixa do material depositado, caracterstica que limita a infiltrao e reduz o volume de percolao na pasta. O processo de preparao da pasta permite que, quando necessrio, esta seja manuseada com o uso de aditivos que podem melhorar as suas propriedades de resistncia, principalmente quando utilizadas como material de preenchimento em minas subterrneas. Para a sua disposio em superfcie, o custo elevado de adio de aditivos torna esta prtica menos atrativa, embora sua utilizao possa ser considerada fonte de neutralizao de drenagens cidas e mobilizao de alguns metais atravs de precipitao mineral, principalmente no caso de rejeitos no-inertes. Adicionalmente, os processos de desaguamento e espessamento dos rejeitos incorporam as seguintes vantagens operacionais, ainda que considerando que estes aspectos referem-se, muitas vezes, a previses de comportamento, uma vez que tais tecnologias

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so ainda muito recentes (Gomes, 2006): maior densidade e estabilidade das estruturas de disposio; menor susceptibilidade liquefao e a rupturas catastrficas; menor potencial de contaminao das guas subterrneas; maior recuperao dos reagentes utilizados no processo de tratamento e maior facilidade de acelerao dos procedimentos de reabilitao das reas degradadas. Considerando que as pastas, a partir de uma determinada porcentagem de slidos, no apresentam segregao das partculas slidas na mistura, os ngulos de disposio obtidos so mais elevados do que ao utilizar polpas, por exemplo na faixa de 2 at 5%, representando um ganho importante em termos de volumes armazenados, sobretudo para grandes reas (Arajo et al., 2003, citado em Osorio, 2005). Laudriault (2002), citado em Osorio (2005), apresenta uma comparao (Figura 2.16) entre as distintas opes de disposio de um rejeito de minerao: as caractersticas de consistncia das misturas, os tipos de equipamentos requeridos para o desaguamento e transporte, os possveis ngulos de repouso e o incremento no volume depositado. Segundo Robinsky (2002), o sistema de disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta requer mais dados do desempenho que o sistema de disposio de rejeitos empregado em barragens convencionais, uma vez que no sistema convencional as propriedades do material (rejeito) so fixadas pelas plantas de processo, enquanto que no sistema de disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta estas propriedades sofrem grande influncia tambm durante o processo de disposio, de acordo com a topografia da rea, diferenciando completamente o comportamento dos rejeitos em ambas as abordagens. Alm disso, nos depsitos convencionais, os rejeitos segregam-se devido ao fluxo, e sedimentam-se, conformando depsitos tipicamente planos. No caso das praias formadas por rejeitos espessados e/ou em pasta, uma vez que os rejeitos so previamente espessados, induzindo-se um fluxo laminar sem segregao, a curtas distncias para descarga, so formadas superfcies mais inclinadas, permitindo-se obter um depsito mais estvel com lados muito ngremes (Figura 2.17).

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Entretanto, considerando principalmente os aspectos relacionados ao transporte dos rejeitos espessados e/ou em pasta, os custos associados infra-estrutura necessria para instalao de bombas de deslocamento e tubulaes de transporte so relativamente altos, alm do fato de que a linha de montagem tem de ser projetada para cada caso especfico, dependendo da localizao da planta com relao ao depsito e do tipo e das caractersticas da pasta a ser transportada. A Tabela 2.1 a seguir apresenta uma relao dos custos e ndices relativos aos diferentes sistemas de disposio de rejeitos, seja na forma convencional, seja na forma de rejeitos em pasta (Rice & Davies, 2002; em Gomes, 2006). Tabela 2.1 - Custos relativos aos diferentes sistemas de disposio de rejeitos (Rice & Davies, 2002; em Gomes, 2006) Custo Tipo de rejeito operacional ($US/ton) polpa espessado ou em pasta 0,3 - 1,2 0,6 - 3,5 Custo de desativao (em 100) 100 50 Potencial de recuperao de gua (em 10) 3 6

No caso especfico da Mina de Bulyanhulu, o mtodo de disposio de rejeitos em superfcie sob a forma de pasta foi escolhido, principalmente devido a necessidade de recuperao da gua incorporada no rejeito para re-utilizao no processo (gua recirculada), alm da topografia desfavorvel para implantao de uma estrutura convencional de conteno para os rejeitos. Neste mesmo projeto decidiu-se tambm pela utilizao de parte do rejeito como material de preenchimento de mina subterrnea. Este mtodo de gerenciamento de rejeitos permitiu uma simplificao no gerenciamento da gua, reduziu significativamente os custos de construo de estruturas de conteno, permitiu a expanso modular da bacia dos rejeitos e facilitou o fechamento e a reabilitao progressiva das reas do empreendimento.

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Consistncia da Disposio

Equipamento de Desaguamento requerido

Sistema de Bombeamento requeridoEspessador convencional Bomba Centrfuga (Baixas presses)

ngulo Repouso

Incremento no Volume depositado

Polpa

Polpa de alta densidade

Espessador de alta velocidade

Bomba centrfuga ou de Pisto/Diafragma

Pasta de alto slump

Deep cone

Bomba de Diafragma

Pasta de baixo slump

Filtro de Disco

Bomba de Deslocamento Positivo

Figura 2.16 - Consistncias de mistura para disposio, seus correspondentes equipamentos para desaguamentos e bombeamento, ngulos de repouso e incremento de volume depositado (adaptado de Laudriault, 2002; em Osorio, 2005).

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Figura 2.17 - Disposies tpicas de rejeitos espessados e/ou em pasta (Robinsky, 2002).

2.2.3 - Critrios de Aplicabilidade da Tcnica e Condicionantes de Projeto de Disposio de Rejeitos Desaguados (Espessados) e/ou em Pasta

Para a concepo e o projeto do sistema de disposio de rejeitos espessados e/ou em pasta, so aplicados todos os conceitos e anlises considerados tambm para rejeitos sob a forma de polpa, ou seja, sob o ponto de vista geotcnico necessria determinao de parmetros de resistncia do material, condies de adensamento e condutividade hidrulica, alm de estudos de liquefao e determinao das condies de formao da praia (Gomes, 2006). Entretanto, considerando a dependncia do comportamento geotcnico de rejeitos espessados e/ou em pasta com relao s suas caractersticas reolgicas durante as fases de preparao e bombeamento e influncia destas atividades nas caractersticas de formao dos depsitos de superfcie, elementos tais como: tipo de espessador, aditivos a serem usados, procedimentos adotados na preparao da pasta, arranjo e compatibilizao entre o sistema de bombas e linhas de bombeamento, tm influncia decisiva na concepo e seqncia de projeto, associando tais abordagens a um forte carter multidisciplinar com outras reas da engenharia. No contexto de preparao dos rejeitos, as propriedades a serem investigadas so: granulometria, mineralogia do material e anlises qumicas da gua, compreendendo medidas de pH, ctions presentes e concentrao inica.

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Segundo Fourie (2002), citado em Osorio (2005), em termos de distribuio granulomtrica, uma porcentagem de finos inferior a 20m parece fornecer uma boa indicao do potencial de aplicao da tcnica de espessamento ao rejeito, uma vez que o comportamento das partculas inferiores a 20m tende a ser governado por foras eltricas, ao passo que partculas maiores so dominadas por efeitos de foras gravitacionais. Por outro lado, partculas inferiores a 20m no so necessariamente partculas argilosas. A resposta deste material adio de um floculante pode ser substancialmente diferente para o caso de um rejeito com a presena de argilo-minerais. Segundo Jung et al. (2002), citado em Osorio (2005), o excesso da quantidade de partculas finas pode produzir uma reduo da resistncia da pasta, ainda que uma certa quantidade de material fino (tamanho < 20m) seja necessria para bombear a pasta atravs da tubulao sem perdas da resistncia requerida para preenchimento. A caracterizao mineralgica dos materiais presentes est intimamente associada anlise qumica da gua, uma vez que o comportamento da pasta ser ditado pela interao catinica do meio com a carga superficial eltrica das partculas presentes, justificando a necessidade de realizao de ensaios de difratometria de raios x, capacidade de troca catinica e determinao do potencial zeta das partculas. Considerando que, durante o transporte de rejeitos espessados e/ou em pasta, existe uma relao direta entre a viscosidade da polpa espessada e o valor da tenso de escoamento necessria para induzir o incio do fluxo (presso de bombeamento), nesta fase, estas so as principais propriedades a serem investigadas. Segundo Boger (2003), com relao viscosidade, as polpas minerais podem exibir um comportamento dependente do tempo. Quando a viscosidade decresce com o tempo, seu comportamento considerado tixotrpico e, quando esta crescente com o tempo, seu comportamento considerado reotrpico.

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Para a determinao da tenso de escoamento do material, parmetro de extrema relevncia em projetos de disposio de rejeitos espessados, so utilizados ensaios de campo, do tipo Vane Mecanizado, e ensaios de laboratrio, comumente denominadoslump test (Figura 2.18), que mede a consistncia do material para diferentes teores de

slidos e concentraes de floculantes, correlacionando as alturas da pasta colapsada em um cilindro com as correspondentes tenses de escoamento (Fourie, 2002, citado em Osorio, 2005).

altura do slump H

Figura 2.18 - Representao esquemtica do teste de abatimento de cone ou slump test (Clayton et al., 2003, em Osorio, 2005). Segundo Robinsky (2002), para a correta manuteno do sistema de disposio, so requeridos rejeitos espessados contendo um mximo de 50 a 70% de slidos (rejeitos de minrios tpicos) e cerca de 30 a 50% para rejeitos extremamente finos. Os rejeitos espessados ou em pasta com concentraes de at 74% de slidos so possveis de serem bombeados com bombas centrfugas. Considerando que o rejeito resultante do processo de preparao da pasta consiste em uma massa viscosa de elevada consistncia e alta viscosidade, capaz de fluir sem segregao, geralmente, os taludes conformados iro se apresentar mais abatidos, com ngulos tipicamente entre 2% e 6% (de 1,1 a 3,4 sob climas moderados), sendo a declividade uma das pri