Escoramento de Teto

Anderson Lus Weiss et al.

Minerao

Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao de carvoAnderson Lus WeissEng. de Minas, Mestre pelo PPGEM, UFRGS. E-mail: [email protected]

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

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

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

ResumoO dimensionamento dos pilares e do reforo do teto em minerao subterrnea de carvo deve levar em considerao parmetros como o comportamento geomecnico do macio rochoso e os equipamentos de lavra empregados. Esse artigo demonstra o mtodo de classificao geomecnica baseado no Coal Mine Roof Rating (CMRR), uma ferramenta de engenharia que descreve qualitativamente as condies geolgicas e geomecnicas das rochas em minas de carvo para seleo do tipo de suporte de teto. Diferentes ndices de CMRR foram identificados e ento considerados para definir a largura mxima nos cruzamentos, o comprimento e a capacidade de carregamento dos parafusos de teto. Essa metodologia provou ser adequada, minimizando os riscos de ruptura de teto e predizendo o tipo de suporte mais apropriado a ser empregado s vrias zonas dentro do depsito, conforme ilustrado no estudo de caso. Palavras-chave: carvo, geomecnica, lavra subterrnea.

AbstractThe pillar and roof support design should take into account the rock mass mechanical behavior and excavation method (blasting or mechanical excavation). This work aims to improve the approach for roof support design in underground coal mines to reduce the risks of roof failure and determine the adequate roof support for each kind of roof typologies found in the mine area. This design approach is based on geological mapping and geomechanical classification CMRR - Coal Mine Roof Rating. This engineering tool describes qualitatively the geological and geomechanical conditions of the roof rock mass for coal mines to select appropriate roof support. Different classes of CMRR were identified at Barro Branco coal mine. Therefore, based on the CMRR classification it was considered the maximum roof span at crossings, bolt length and bolt load capacity. The methodology is adequate to reduce roof falls and predicting the adequate support for different roof typologies for different zones in the mining. Keywords: coal, geomechanical classification, underground mining.

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

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Classificao geomecnica em projetos de reforo do teto em minerao de carvo

1. IntroduoO Estado de Santa Catarina atualmente produz 50% do carvo nacional. A maioria das minas de carvo de Santa Catarina so subterrneas e utilizam o mtodo de cmaras-e-pilares. Problemas de suporte e reforo do teto imediato fazem parte da rotina nas fases de planejamento e operao de lavra. A Mina Barro Branco, pertencente Indstria Carbonfera Rio Deserto Ltda, minera a camada Bonito. Essa mina est localizada no municpio de Lauro Mller, situada ao sul do Estado de Santa Catarina. O teto imediato formado, basicamente, por arenito laminado ou arenito macio. De acordo com a qualidade do macio rochoso do teto, deve ser projetado um tipo de reforo especfico. Atualmente, o tipo de reforo do teto imediato o mesmo ao longo de toda a mina, independente das variaes na tipologia do teto. Acidentes associados a caimentos de rochas so poucos, apenas em situaes em que o vo torna-se muito largo, ou quando a ancoragem do parafuso de teto inadequada ao tipo de teto. Esse estudo tem como meta averiguar o modelo de reforo de teto empregado atualmente, considerando a qualidade do teto imediato. Esse trabalho aplica uma metodologia para o mapeamento das litologias do teto imediato e sua classificao geomecnica, a qual baseada a classificao Coal Mine Roof Rating - CMRR (Molinda & Mark, 1994). Com base nessas informaes, ser verificado se o padro de reforo utilizado atualmente adequado geometria das escavaes e qualidade do teto imediato.

(iii) Determinar se o reforo aplicado ao teto atualmente adequado. Se no for adequado, sugerir o reforo com base na classificao CMRR. Vrios autores apresentam metodologias para o dimensionamento do reforo do teto em minas de carvo (Unal, 1983; Peng, 1986; Bieniawski, 1989). A classificao CMRR (Molinda & Mark, 1994; Mark et al., 2001 e 2002; Weiss, 2003) identifica os fatores litolgicos que influenciam na competncia estrutural do teto de galerias em minas de carvo e determina seu valor de acordo com o grau de importncia de cada camada que forma o teto imediato. A classificao CMRR emprega um sistema de classificao similar classificao RMR de Bieniawsk (1973 e 1989). O teto imediato deve ser inicialmente dividido em unidades estruturais. Uma unidade estrutural pode ser designada como uma nica camada litolgica ou uma seqncia de camadas formando um nico intervalo distinto, que deve ter no mnimo 0,15 m de espessura. Em minas de carvo, comum a presena de finas camadas, que so agrupadas em uma nica unidade, devido s semelhanas das propriedades fsicas. Planos de fraqueza como laminao, xistosidade, juntas ou falhas tornam a rocha bastante suscetvel delaminao e ao cisalhamento. Dessa forma, um dos fatores determinantes no clculo do CMRR medir a resistncia ao cisalhamento desses planos de fraqueza. A capacidade de uma descontinuidade resistir a esse desplacamento funo da coeso e rugosidade das superfcies, as quais devem ser contabilizadas para cada unidade estrutural previamente definida. A freqncia de descontinuidades de uma famlia outro fator que afeta a competncia estrutural global da unidade. A freqncia de descontinuidades determinada pelo inverso do espaamento entre as descontinuidades (Priest & Hudson, 1976). Quanto mais prximas elas estiverem dispostas e quanto maior for sua extenso, mais fraco ser o macio rochoso.

Depois de obtido o valor individual, para cada famlia de descontinuidades presente na unidade estrutural, somando os valores referentes resistncia ao cisalhamento e freqncia das fraturas, faz-se o ajuste para mltiplas famlias de descontinuidades. Esse ajuste aplicado quando h mais de um conjunto de falhas na unidade analisada. A determinao da resistncia compresso das rochas que formam a unidade necessria na classificao CMRR. Podem ser utilizados testes de carga pontual ou resistncia compresso simples (Mark et al., 2002). O teste da sensibilidade umidade realizado de maneira a observar qual o grau de desagregao da rocha depois de estas estarem imersas em gua durante 24 horas. As faces expostas das rochas ou dos caimentos de teto so suscetveis infiltrao de gua e ao da umidade do ar. Esse processo de intemperismo contribui para a expanso das argilas, favorecendo a delaminao da rocha. O prximo passo determinar o grau de importncia da unidade estrutural na estabilidade global do teto imediato. A atribuio do peso mdio utiliza a espessura da unidade (RRw), que obtido em funo do comprimento do parafuso e o intervalo das unidades em que ele est compreendido. Outro conceito importante incorporado ao CMRR o conceito de camada forte. A competncia estrutural global das unidades ancoradas pelo parafuso de teto determinada pela qualidade da camada mais competente no intervalo compreendido pelo parafuso. O ajuste para camada forte depende de vrios fatores. O primeiro o contraste entre a competncia da camada forte em relao s demais unidades. Quanto mais competente for a camada, em relao s demais camadas (unidades), maior ser sua contribuio. O segundo fator a espessura dessa camada, que deve ser, no mnimo, de 0,30 m, para satisfazer a ancoragem e promover qualquer suporte adicional.

2. MetodologiaA metodologia aplicada nesse trabalho segue as etapas apresentadas a seguir: (i) Especificar a geologia do teto em cada setor da jazida. (ii) Determinar a qualidade do teto, com base na classificao CMRR.94



A presena de gua nas galerias pode ativar a sensibilidade das rochas do teto, quanto umidade, e reduzir sua capacidade de suporte. A deduo deste parmetro baseada no fluxo de gua em toda a seqncia do teto. As observaes so realizadas em campo e a quantidade de gua que percola pelo teto das galerias definida ao longo de 3.000 m de extenso. A resistncia das rochas sobrejacente ao espao fixado pelos parafusos pode afetar a estabilidade do sistema de suporte. Se as rochas acima do pacote parafusado forem mais fracas, deve-se aplicar uma carga extra sobre o teto. Para isto empregado um ajuste de sobrecarga. A conjugao de todos os fatores que contribuem para a competncia geomecnica do teto feita para o clculo do CMRR.

o objetivo de reproduzir, tanto as caractersticas espaciais, quanto as caractersticas estatsticas, utilizou-se o mtodo da simulao seqencial gaussiana (Isaaks, 1990), compilado no programa SGSIM da biblioteca de softwares GSLIB (Deutsch & Journel, 1998). Aps ser estimada a distribuio das duas unidades presentes na mina, foram mapeadas as estruturas geolgicas. Nos trabalhos de campo, observouse a presena de dois conjuntos estruturais (laminao horizontal plano-paralela e falhamentos), dando origem a seis condies geolgicas e estruturais distintas, que podem ser encontradas na mina (Figura 1). Na condio 1, encontrado arenito macio cortado por fraturas e falhas. Na condio 2, o arenito macio no cortado por descontinuidades. Na condio 3, encontrado arenito laminado, que cortado por falhas e fraturas. Na condio 4, o arenito laminado no cortado por descontinuida-

des, existe apenas a laminao do arenito. Nas condies 5 e 6, o teto imediato formado por arenito laminado e por arenito macio mais acima, sendo que, na condio 5, as duas camadas so cortadas por falhas e fraturas. As Tabelas 1 e 2 apresentam um resumo das informaes para as estruturas geolgicas presentes em cada unidade. A Tabela 1 mostra a Unidade 1 com as duas famlias de descontinuidades (laminao e falhas). A Tabela 2 exibe as caractersticas geolgicas e geomecnicas da estrutura na Unidade 2. Para cada caso analisado, aplicou-se o ajuste de reduo, devido ao desmonte (Kendorki et al., 1983 in Bieniawski, 1989). Esse ajuste relaciona as condies e os mtodos de desmonte ao grau de reduo a ser aplicado devido ao dano causado nas rochas encaixantes. Os fatores multiplicadores variam de 0,8, para utilizao inadequada de

3. Estudo de CasoA camada de carvo minerada na Mina Barro Branco possui espessura mdia de 3,47 m, com uma cobertura variando de 20 a 80 metros. O projeto de suporte de teto utilizado na mina baseiase na frmula de Obert e Durvall (1967), na qual a camada acima do carvo suspensa com parafusos ancorados no macio competente. Esse mtodo no considera a qualidade do macio, apenas considera parmetros geomtricos. As informaes utilizadas nesse trabalho foram reunidas durante uma campanha de amostragem e de observaes realizada em campo. O material para os ensaios foi obtido de sondagens, de amostras do teto, utilizando explosivos, e de fragmentos de rocha remanescentes de caimentos.

3.1 Geologia do teto imediatoForam identificadas apenas duas unidades distintas em todo o permetro da mina: Arenito Laminado e/ou Siltito Arenoso (Unidade 1) e Arenito Macio (Unidade 2). Foi construdo um mapa de probabilidade de espessura da Unidade 1. ComFigura 1 - Cenrios de teto imediato na Mina Barro Branco.


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explosivos, a 1,0, para desmonte mecnico. Esse ajuste no pertence metodologia do CMRR, pois parte do princpio de que o desmonte realizado mecanicamente, sendo, ento, um fator que no interfere na qualidade do macio rochoso e na estabilidade das escavaes subterrneas. Entretanto as mineraes de carvo em subsolo de Santa Catarina operam utilizando explosivos no processo de fragmentao do carvo interferindo na estabilidade do macio em torno da abertura. O critrio adotado para determinar o fator de ajuste devido ao desmonte tem como base as caractersticas estruturais de cada unidade. Quanto melhor for a qualidade estrutural do macio, menor ser a interferncia do explosivo na qualidade do teto das galerias. A Tabela 3 apresenta os valores finais de CMRR, calculados para cada caso. Nos casos 5 e 6, o CMRR foi calculado quando a espessura do arenito laminado mnima de 0,15 m (casos 5A e 6A) e quando o arenito laminado alcana a espessura-limite de 0,75 metros (casos 5B e 6B).

pilares, a situao torna-se crtica nos cruzamentos das galerias, onde ocorrem as maiores incidncias de caimentos de teto. O mtodo CMRR estima a distncia mxima permitida da diagonal traada entre dois pontos opostos em uma interseo de galerias (IsG). Para efeitos comparativos, realizaram-se medidas das larguras das diagonais no cruzamento das galerias. A discrepncia entre os valores varia de 7,55 a 10,45 m, que representam a mdia das duas diagonais do cruzamento. Ao considerar a mdia dos dados amostrados (8,89 m), observa-se que a diagonal da interseo das galerias tambm elevada em relao a diagonal estimada no projeto. Esse aumento do vo das galerias nos cruzamentos devido s imperfeies do desmonte e presena de descontinuidades que cortam a

camada de carvo, originando a formao de blocos em forma de cunha, favorecendo o caimento de blocos dos pilares. A comparao entre os valores reais da mina com os resultados sugeridos pelo CMRR (IsG) est na Figura 2. De acordo com os dados praticados, para o vo que alcanar ou ultrapassar 10,45 m de diagonal, o CMRR mnimo requerido 55. Esse valor de CMRR s atingido nos casos 2 e 6A. O caso 3 apresenta a situao mais crtica, apresentando o menor valor e, conseqentemente, a menor distncia permitida da diagonal nas intersees das galerias. A determinao do comprimento dos parafusos outro parmetro a ser considerado em projetos de suporte de teto para minas de carvo. Os valores de CMRR obtidos servem como guia para seleo preliminar do comprimento de parafuso, sendo este exclusivamente re-

Unidade 1: Arenito Laminado Coeso Rugosidade Moderada (Laminao) Planar (Laminao) < 0,06 m (Laminao) > 9 m (Laminao) Fraca (Falhas) Ondulada (Falhas) > 1,8 m (Falhas) > 9 m (Falhas)

3.2 Clculo de reforo do teto imediatoA largura das galerias fator importante para manuteno da estabilidade do macio rochoso que forma o teto imediato. Em minas subterrneas de carvo, que operam pelo mtodo cmara e

Espaamento Persistncia Resistncia da rocha Sensibilidade umidade gua subterrnea

21 a 55 MPa Levemente sensvel Gotejamento intenso nas falhasTabela 3 - Valores de CMRR para os casos analisados.

Tabela 2 - Caractersticas geolgicas e geomecnicas da Unidade 2.

Unidade 2: Arenito Macio Coeso Rugosidade Espaamento Persistncia Resistncia da rocha Sensibilidade umidade gua subterrnea96

Condio Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5A Caso 5B Caso 6A Caso 6B

CMRR 52 81 30 41 42 36 71 56

Fraca (Falhas) Ondulada (Falhas) > 1,8 m (Falhas) > 9 m (Falhas) 21 a 55 MPa No sensvel Gotejamento intenso nas falhas



lacionado com o mecanismo de sustentao por efeito viga em coluna total. O mtodo aplicado incorpora os principais fatores em projetos de suporte de teto: largura nos cruzamentos, espessura de cobertura e a competncia estrutural do macio. Para visualizao dos resultados, com base na equao (1), geraram-se grficos comparativos do comprimento do parafuso (LB) em funo da espessura de cobertura (H) e do vo na interseo das galerias para os dois casos extremos de CMRR (Figura 3).

Is 100 CMRR L B = G log H (1) 13 100 O caso 2 do CMRR formado apenas pela Unidade 2 (arenito macio), o qual apresentam boa competncia estrutural e caracerizado pela ausncia de falhas no teto. Nesse caso, o mtodo sugere parafusos com aproximadamente 0,08 m (vo da galeria menor e pouca espessura de cobertura), ou seja, para essa condio o mtodo desconsidera o uso de parafusos de teto. O caso 3 do CMRR rene a pior condio de qualidade do teto. Formado apenas pela Unidade 1, a qualidade dessa categoria afetada pela presena de falhas. Nesse caso, o mtodo sugere parafusos com at 1,20 m para situaes em que o vo no cruzamento de galerias seja de 10,5 m e a para espessuras de cobertura superiores a 100 metros. A funo de prover ao macio rochoso maior resistncia requer do parafuso uma certa competncia de suportar as solicitaes exigidas. A metodologia utilizada para clculo da capacidade de carga mnima sugerida por unidade de comprimento de parafuso (PRSUPG) baseia-se na distribuio de tenses, representada pela espessura de cobertura e pela qualidade do macio rochoso que forma o teto. O PRSUPG requerido aumenta medida que o valor do CMRR decresce e aumenta a profundidade da camada (Figura 4 e equao 2). Quando o CMRR atinge valores elevados (Casos 1, 2, 6A e 6B), a solicitao sobre os parafusos mnima,

1, 5

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

Figura 3 - Comprimento dos parafusos para a pior stuao em diversas larguras de interseces (Caso 3).

Figura 4 - Capacidade de suporte requerida.


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PRSUPG de 4,5 t/m. Os casos 4 e 5A apresentam uma variao crescente do PRSUPG de acordo com a evoluo da profundidade da camada. Para uma cobertura de 80 m, o PRSUPG sugerido aproximadamente 9 t/m, para as duas situaes. A importncia da capacidade de suporte do parafuso eleva-se significativamente nos casos 3 e 5B, com valores de 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 parafusos da Mina Barro Branco, os quais so instalados pontualmente com resina, essas duas situaes avalidas pelo CMRR (Casos 3 e 5B) apresentam-se inadequadas. Testes de arrancamento revelam que a ancoragem resiste em mdia a 12,7 t de carga. J a capacidade de carga ou a resistncia trao do parafuso um pouco inferior, chegando a 12 t para o ao utilizado na sua fabricao.

A classificao geomecnica do teto da Mina Barro Branco, por meio do CMRR, possibilitou mapear as diferentes feies litolgicas, as quais interferem na competncia do macio rochoso. As caractersticas qualitativas e quantitativas das descontinuidades so os fatores mais importantes na estimativa da qualidade desse macio. Dessa forma, a aplicao do CMRR demonstrou a existncia de seis classes para o teto da mina. Os valores do CMRR ajustado variam de 30 a 81, mostrando a necessidade de cuidados diferenciados para a sustentao do teto. Com base nos ndices obtidos, sugere-se uma nova proposta para reforar o teto imediato, a fim de reduzir os riscos de caimentos em condies adversas e evitar gastos excessivos com suporte em situaes favorveis.

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4. ConclusesA meta de verificar se o padro de suporte de teto atualmente empregado na Mina Barro Branco apresenta-se adequado s distintas condies geolgicas e geomecnicas do macio rochoso que compe o teto imediato da mina foi cumprida. A anlise determina que o sistema atual de suporte de teto seja modificado.

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Artigo recebido em 16/09/2003 e aprovado em 11/06/2004.

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