Escoramento de Teto

93REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(2): 93-98, abr. jun. 2004

Anderson Luís Weiss et al.

ResumoO dimensionamento dos pilares e do reforço do teto

em mineração subterrânea de carvão deve levar em con-sideração parâmetros como o comportamento geomecâ-nico do maciço rochoso e os equipamentos de lavra em-pregados. Esse artigo demonstra o método de classifica-ção geomecânica baseado no Coal Mine Roof Rating(CMRR), uma ferramenta de engenharia que descrevequalitativamente as condições geológicas e geomecâni-cas das rochas em minas de carvão para seleção do tipode suporte de teto. Diferentes índices de CMRR foramidentificados e então considerados para definir a larguramáxima nos cruzamentos, o comprimento e a capacidadede carregamento dos parafusos de teto. Essa metodolo-gia provou ser adequada, minimizando os riscos de rup-tura de teto e predizendo o tipo de suporte mais apropri-ado a ser empregado às várias zonas dentro do depósito,conforme ilustrado no estudo de caso.

Palavras-chave : carvão, geomecânica, lavrasubterrânea.

AbstractThe pillar and roof support design should take into

account the rock mass mechanical behavior andexcavation method (blasting or mechanical excavation).This work aims to improve the approach for roof supportdesign in underground coal mines to reduce the risks ofroof failure and determine the adequate roof supportfor each kind of roof typologies found in the mine area.This design approach is based on geological mappingand geomechanical classification CMRR - Coal MineRoof Rating. This engineering tool describesqualitatively the geological and geomechanicalconditions of the roof rock mass for coal mines to selectappropriate roof support. Different classes of CMRRwere identified at Barro Branco coal mine. Therefore,based on the CMRR classification it was considered themaximum roof span at crossings, bolt length and boltload capacity. The methodology is adequate to reduceroof falls and predicting the adequate support fordifferent roof typologies for different zones in the mining.

Keywords: coal, geomechanical classification,underground mining.

Classificação geomecânica em projetos dereforço do teto em mineração de carvão

Anderson Luís WeissEng. de Minas, Mestre pelo PPGEM, UFRGS. E-mail: [email protected]

André Cezar ZinganoEng. de Minas, Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS. E-mail: [email protected]

João Felipe C.L. CostaEng. de Minas, Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS. E-mail: [email protected]

Jair Carlos KoppeEng. de Minas/Geól., Prof. Dr. do DEMIN, UFRGS. E-mail: [email protected]

Mineração

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(2): 93-98, abr. jun. 200494

Classificação geomecânica em projetos de reforço do teto em mineração de carvão

1. IntroduçãoO Estado de Santa Catarina atual-

mente produz 50% do carvão nacional.A maioria das minas de carvão de SantaCatarina são subterrâneas e utilizam ométodo de câmaras-e-pilares. Problemasde suporte e reforço do teto imediato fa-zem parte da rotina nas fases de planeja-mento e operação de lavra.

A Mina Barro Branco, pertencenteà Indústria Carbonífera Rio Deserto Ltda,minera a camada Bonito. Essa mina estálocalizada no município de Lauro Müller,situada ao sul do Estado de Santa Catarina.

O teto imediato é formado, basica-mente, por arenito laminado ou arenitomaciço. De acordo com a qualidade domaciço rochoso do teto, deve ser proje-tado um tipo de reforço específico.

Atualmente, o tipo de reforço doteto imediato é o mesmo ao longo de todaa mina, independente das variações natipologia do teto. Acidentes associadosa caimentos de rochas são poucos, ape-nas em situações em que o vão torna-semuito largo, ou quando a ancoragem doparafuso de teto é inadequada ao tipode teto.

Esse estudo tem como meta averi-guar o modelo de reforço de teto em-pregado atualmente, considerando aqualidade do teto imediato. Esse traba-lho aplica uma metodologia para o ma-peamento das litologias do teto imedia-to e sua classificação geomecânica, aqual é baseada a classificação CoalMine Roof Rating - CMRR (Molinda &Mark, 1994). Com base nessas informa-ções, será verificado se o padrão de re-forço utilizado atualmente é adequadoà geometria das escavações e à quali-dade do teto imediato.

2. MetodologiaA metodologia aplicada nesse traba-

lho segue as etapas apresentadas a seguir:

(i) Especificar a geologia do teto em cadasetor da jazida.

(ii) Determinar a qualidade do teto, combase na classificação CMRR.

(iii) Determinar se o reforço aplicado aoteto atualmente é adequado. Se nãofor adequado, sugerir o reforço combase na classificação CMRR.

Vários autores apresentam metodo-logias para o dimensionamento do refor-ço do teto em minas de carvão (Unal,1983; Peng, 1986; Bieniawski, 1989). Aclassificação CMRR (Molinda & Mark,1994; Mark et al., 2001 e 2002; Weiss,2003) identifica os fatores litológicos queinfluenciam na competência estrutural doteto de galerias em minas de carvão edetermina seu valor de acordo com ograu de importância de cada camada queforma o teto imediato. A classificaçãoCMRR emprega um sistema de classifi-cação similar à classificação RMR de Bi-eniawsk (1973 e 1989).

O teto imediato deve ser inicialmen-te dividido em unidades estruturais. Umaunidade estrutural pode ser designadacomo uma única camada litológica ouuma seqüência de camadas formando umúnico intervalo distinto, que deve ter nomínimo 0,15 m de espessura. Em minasde carvão, é comum a presença de finascamadas, que são agrupadas em umaúnica unidade, devido às semelhançasdas propriedades físicas.

Planos de fraqueza como lamina-ção, xistosidade, juntas ou falhas tornama rocha bastante suscetível à delamina-ção e ao cisalhamento. Dessa forma, umdos fatores determinantes no cálculo doCMRR é medir a resistência ao cisalha-mento desses planos de fraqueza. A ca-pacidade de uma descontinuidade resis-tir a esse desplacamento é função da co-esão e rugosidade das superfícies, asquais devem ser contabilizadas para cadaunidade estrutural previamente definida.

A freqüência de descontinuidadesde uma família é outro fator que afeta acompetência estrutural global da unida-de. A freqüência de descontinuidades édeterminada pelo inverso do espaçamen-to entre as descontinuidades (Priest &Hudson, 1976). Quanto mais próximaselas estiverem dispostas e quanto maiorfor sua extensão, mais fraco será o maci-ço rochoso.

Depois de obtido o valor individu-al, para cada família de descontinuida-des presente na unidade estrutural, so-mando os valores referentes à resistên-cia ao cisalhamento e à freqüência dasfraturas, faz-se o ajuste para múltiplasfamílias de descontinuidades. Esse ajus-te é aplicado quando há mais de um con-junto de falhas na unidade analisada.

A determinação da resistência àcompressão das rochas que formam aunidade é necessária na classificaçãoCMRR. Podem ser utilizados testes decarga pontual ou resistência à compres-são simples (Mark et al., 2002).

O teste da sensibilidade à umidadeé realizado de maneira a observar qual ograu de desagregação da rocha depoisde estas estarem imersas em água du-rante 24 horas. As faces expostas dasrochas ou dos caimentos de teto sãosuscetíveis à infiltração de água e à açãoda umidade do ar. Esse processo de in-temperismo contribui para a expansãodas argilas, favorecendo a delaminaçãoda rocha.

O próximo passo é determinar o graude importância da unidade estrutural naestabilidade global do teto imediato. Aatribuição do peso médio utiliza a espes-sura da unidade (RRw), que é obtido emfunção do comprimento do parafuso e ointervalo das unidades em que ele estácompreendido.

Outro conceito importante incorpo-rado ao CMRR é o conceito de camadaforte. A competência estrutural globaldas unidades ancoradas pelo parafusode teto é determinada pela qualidade dacamada mais competente no intervalocompreendido pelo parafuso. O ajustepara camada forte depende de vários fa-tores. O primeiro é o contraste entre acompetência da camada forte em relaçãoàs demais unidades. Quanto mais com-petente for a camada, em relação às de-mais camadas (unidades), maior será suacontribuição. O segundo fator é a es-pessura dessa camada, que deve ser, nomínimo, de 0,30 m, para satisfazer a an-coragem e promover qualquer suporteadicional.



A presença de água nas galeriaspode ativar a sensibilidade das rochasdo teto, quanto à umidade, e reduzir suacapacidade de suporte. A dedução des-te parâmetro é baseada no fluxo de águaem toda a seqüência do teto. As obser-vações são realizadas em campo e a quan-tidade de água que percola pelo teto dasgalerias é definida ao longo de 3.000 mde extensão.

A resistência das rochas sobreja-cente ao espaço fixado pelos parafusospode afetar a estabilidade do sistema desuporte. Se as rochas acima do pacoteparafusado forem mais fracas, deve-seaplicar uma carga extra sobre o teto. Paraisto é empregado um ajuste de sobrecarga.

A conjugação de todos os fatoresque contribuem para a competência ge-omecânica do teto é feita para o cálculodo CMRR.

3. Estudo de CasoA camada de carvão minerada na

Mina Barro Branco possui espessuramédia de 3,47 m, com uma cobertura va-riando de 20 a 80 metros. O projeto desuporte de teto utilizado na mina baseia-se na fórmula de Obert e Durvall (1967),na qual a camada acima do carvão é sus-pensa com parafusos ancorados no ma-ciço competente. Esse método não con-sidera a qualidade do maciço, apenasconsidera parâmetros geométricos.

As informações utilizadas nessetrabalho foram reunidas durante umacampanha de amostragem e de observa-ções realizada em campo. O material paraos ensaios foi obtido de sondagens, deamostras do teto, utilizando explosivos,e de fragmentos de rocha remanescen-tes de caimentos.

3.1 Geologia do teto imediatoForam identificadas apenas duas

unidades distintas em todo o perímetroda mina: Arenito Laminado e/ou SiltitoArenoso (Unidade 1) e Arenito Maciço(Unidade 2).

Foi construído um mapa de proba-bilidade de espessura da Unidade 1. Com

o objetivo de reproduzir, tanto as carac-terísticas espaciais, quanto as caracte-rísticas estatísticas, utilizou-se o méto-do da simulação seqüencial gaussiana(Isaaks, 1990), compilado no programaSGSIM da biblioteca de softwaresGSLIB (Deutsch & Journel, 1998).

Após ser estimada a distribuiçãodas duas unidades presentes na mina,foram mapeadas as estruturas geológi-cas. Nos trabalhos de campo, observou-se a presença de dois conjuntos estru-turais (laminação horizontal plano-para-lela e falhamentos), dando origem a seiscondições geológicas e estruturais dis-tintas, que podem ser encontradas namina (Figura 1). Na condição 1, é encon-trado arenito maciço cortado por fratu-ras e falhas. Na condição 2, o arenitomaciço não é cortado por descontinui-dades. Na condição 3, é encontrado are-nito laminado, que é cortado por falhas efraturas. Na condição 4, o arenito lami-nado não é cortado por descontinuida-

des, existe apenas a laminação do areni-to. Nas condições 5 e 6, o teto imediato éformado por arenito laminado e por are-nito maciço mais acima, sendo que, nacondição 5, as duas camadas são corta-das por falhas e fraturas.

As Tabelas 1 e 2 apresentam um re-sumo das informações para as estrutu-ras geológicas presentes em cada uni-dade. A Tabela 1 mostra a Unidade 1 comas duas famílias de descontinuidades (la-minação e falhas). A Tabela 2 exibe ascaracterísticas geológicas e geomecâni-cas da estrutura na Unidade 2.

Para cada caso analisado, apli-cou-se o ajuste de redução, devidoao desmonte (Kendorki et al., 1983 inBieniawski, 1989). Esse ajuste relacionaas condições e os métodos de desmonteao grau de redução a ser aplicado devi-do ao dano causado nas rochas encai-xantes. Os fatores multiplicadores vari-am de 0,8, para utilização inadequada de

Figura 1 - Cenários de teto imediato na Mina Barro Branco.



explosivos, a 1,0, para desmonte mecâ-nico. Esse ajuste não pertence à meto-dologia do CMRR, pois parte do princí-pio de que o desmonte é realizado meca-nicamente, sendo, então, um fator quenão interfere na qualidade do maciço ro-choso e na estabilidade das escavaçõessubterrâneas. Entretanto as mineraçõesde carvão em subsolo de Santa Catarinaoperam utilizando explosivos no proces-so de fragmentação do carvão interfe-rindo na estabilidade do maciço em tor-no da abertura.

O critério adotado para determinaro fator de ajuste devido ao desmontetem como base as características estru-turais de cada unidade. Quanto melhorfor a qualidade estrutural do maciço,menor será a interferência do explosivona qualidade do teto das galerias.

A Tabela 3 apresenta os valores fi-nais de CMRR, calculados para cadacaso. Nos casos 5 e 6, o CMRR foi calcu-lado quando a espessura do arenito la-minado é mínima de 0,15 m (casos 5A e6A) e quando o arenito laminado alcan-ça a espessura-limite de 0,75 metros (ca-sos 5B e 6B).

3.2 Cálculo de reforço doteto imediato

A largura das galerias é fator im-portante para manutenção da estabilida-de do maciço rochoso que forma o tetoimediato. Em minas subterrâneas de car-vão, que operam pelo método câmara e

Tabela 3 - Valores de CMRR para oscasos analisados.

Coesão Moderada (Laminação) Fraca (Falhas)

Rugosidade Planar (Laminação) Ondulada (Falhas)

Espaçamento < 0,06 m (Laminação) > 1,8 m (Falhas)

Persistência > 9 m (Laminação) > 9 m (Falhas)

Resistência da rocha

Sensibilidade à umidade

Água subterrânea

Unidade 1: Arenito Laminado

21 a 55 MPa

Levemente sensível

Gotejamento intenso nas falhas

Tabela 2 - Características geológicas e geomecânicas da Unidade 2.

Unidade 2: Arenito Maciço

Coesão Fraca (Falhas)

Rugosidade Ondulada (Falhas)

Espaçamento > 1,8 m (Falhas)

Persistência > 9 m (Falhas)

Resistência da rocha 21 a 55 MPa

Sensibilidade à umidade Não é sensível

Água subterrânea Gotejamento intenso nas falhas

Condição CMRRCaso 1 52Caso 2 81Caso 3 30Caso 4 41

Caso 5A 42Caso 5B 36Caso 6A 71Caso 6B 56

pilares, a situação torna-se crítica noscruzamentos das galerias, onde ocorremas maiores incidências de caimentos deteto.

O método CMRR estima a distân-cia máxima permitida da diagonal traça-da entre dois pontos opostos em umainterseção de galerias (IsG). Para efeitoscomparativos, realizaram-se medidas daslarguras das diagonais no cruzamentodas galerias. A discrepância entre os va-lores varia de 7,55 a 10,45 m, que repre-sentam a média das duas diagonais docruzamento.

Ao considerar a média dos dadosamostrados (8,89 m), observa-se que adiagonal da interseção das galerias tam-bém é elevada em relação a diagonal es-timada no projeto. Esse aumento do vãodas galerias nos cruzamentos é devidoàs imperfeições do desmonte e à presen-ça de descontinuidades que cortam a

camada de carvão, originando a forma-ção de blocos em forma de cunha, favo-recendo o caimento de blocos dos pila-res. A comparação entre os valores reaisda mina com os resultados sugeridospelo CMRR (IsG) está na Figura 2.

De acordo com os dados pratica-dos, para o vão que alcançar ou ultra-passar 10,45 m de diagonal, o CMRR mí-nimo requerido é 55. Esse valor de CMRRsó é atingido nos casos 2 e 6A. O caso 3apresenta a situação mais crítica, apre-sentando o menor valor e, conseqüente-mente, a menor distância permitida dadiagonal nas interseções das galerias.

A determinação do comprimentodos parafusos é outro parâmetro a serconsiderado em projetos de suporte deteto para minas de carvão. Os valores deCMRR obtidos servem como guia paraseleção preliminar do comprimento deparafuso, sendo este exclusivamente re-



lacionado com o mecanismo de susten-tação por efeito viga em coluna total. Ométodo aplicado incorpora os principaisfatores em projetos de suporte de teto:largura nos cruzamentos, espessura decobertura e a competência estrutural domaciço. Para visualização dos resultados,com base na equação (1), geraram-se grá-ficos comparativos do comprimento doparafuso (LB) em função da espessurade cobertura (H) e do vão na interseçãodas galerias para os dois casos extremosde CMRR (Figura 3).

5,1G

B 100CMRR100Hlog

13IsL

−

= (1)

O caso 2 do CMRR é formado ape-nas pela Unidade 2 (arenito maciço), oqual apresentam boa competência estru-tural e é caracerizado pela ausência defalhas no teto. Nesse caso, o métodosugere parafusos com aproximadamente0,08 m (vão da galeria menor e poucaespessura de cobertura), ou seja, paraessa condição o método desconsidera ouso de parafusos de teto.

O caso 3 do CMRR reúne a piorcondição de qualidade do teto. Formadoapenas pela Unidade 1, a qualidade des-sa categoria é afetada pela presença defalhas. Nesse caso, o método sugereparafusos com até 1,20 m para situaçõesem que o vão no cruzamento de galeriasseja de 10,5 m e a para espessuras decobertura superiores a 100 metros.

A função de prover ao maciço ro-choso maior resistência requer do para-fuso uma certa competência de suportaras solicitações exigidas. A metodologiautilizada para cálculo da capacidade decarga mínima sugerida por unidade decomprimento de parafuso (PRSUPG) ba-seia-se na distribuição de tensões, re-presentada pela espessura de coberturae pela qualidade do maciço rochoso queforma o teto. O PRSUPG requerido au-menta à medida que o valor do CMRRdecresce e aumenta a profundidade dacamada (Figura 4 e equação 2).

Quando o CMRR atinge valoreselevados (Casos 1, 2, 6A e 6B), a soli-citação sobre os parafusos é mínima,

Figura 2 - Largura da diagonal nos cruzamentos das galerias. As linhas verticaisrepresentam as larguras 7,55m, 8,89m e 10,45m.

Figura 3 - Comprimento dos parafusos para a pior stuação em diversas larguras deintersecções (Caso 3).

Figura 4 - Capacidade de suporte requerida.



PRSUPG de 4,5 t/m. Os casos 4 e 5A apre-sentam uma variação crescente do PR-SUPG de acordo com a evolução da pro-fundidade da camada. Para uma cober-tura de 80 m, o PRSUPG sugerido é apro-ximadamente 9 t/m, para as duas situa-ções. A importância da capacidade desuporte do parafuso eleva-se significa-tivamente nos casos 3 e 5B, com valoresde 14,5 t/m e 11,5 t/m, respectivamente.

PRSUPG = (5,7 log H) - 0,35 CMRR+ 6,5 (2)

Se comparados com os atuais para-fusos da Mina Barro Branco, os quaissão instalados pontualmente com resi-na, essas duas situações avalidas peloCMRR (Casos 3 e 5B) apresentam-se ina-dequadas. Testes de arrancamento re-velam que a ancoragem resiste em médiaa 12,7 t de carga. Já a capacidade de car-ga ou a resistência à tração do parafusoé um pouco inferior, chegando a 12 t parao aço utilizado na sua fabricação.

4. ConclusõesA meta de verificar se o padrão de

suporte de teto atualmente empregadona Mina Barro Branco apresenta-se ade-quado às distintas condições geológi-cas e geomecânicas do maciço rochosoque compõe o teto imediato da mina foicumprida. A análise determina que o sis-tema atual de suporte de teto seja modi-ficado.

A classificação geomecânica doteto da Mina Barro Branco, por meio doCMRR, possibilitou mapear as diferen-tes feições litológicas, as quais interfe-rem na competência do maciço rochoso.As características qualitativas e quanti-tativas das descontinuidades são os fa-tores mais importantes na estimativa daqualidade desse maciço. Dessa forma, aaplicação do CMRR demonstrou a exis-tência de seis classes para o teto da mina.Os valores do CMRR ajustado variamde 30 a 81, mostrando a necessidade decuidados diferenciados para a sustenta-ção do teto. Com base nos índices obti-dos, sugere-se uma nova proposta parareforçar o teto imediato, a fim de reduziros riscos de caimentos em condiçõesadversas e evitar gastos excessivos comsuporte em situações favoráveis.

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WEISS, A.L. Incorporação de dadosgeomecânicos em projetos de suporte deteto em mina subterrânea de carvão .PPGEM - UFRGS, 2003. 170 p.(Dissertação de Mestrado).

Artigo recebido em 16/09/2003 eaprovado em 11/06/2004.

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