método de lavra: câmaras e pilares (ufrgs/demin - material de divulgação interna)
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Método de lavra:
Câmaras e Pilares
(UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)
O método de câmaras e pilares (room and pillar):
Importância prática do método câmaras e pilares:
Método muito usado em minas de carvão e não-carvão em todo o mundo.
Na década de 70 nos USA, mais de 50% da produção (subsolo) de carvão vinha deste método. Atualmente, boa parte da produção é ainda feita por C&P.
É o método de lavra usado na mineração subterrânea de carvão no sul do Brasil.
Aplicações diferenciadas do método C&P:
- Em rochas duras (hard rock)por exemplo: calcário, dolomita, metais
(chumbo, zinco, cobre, ouro, etc.)
- Em rochas friáveis (soft rock)por exemplo: carvão, potássio, sal
Condições do depósito para aplicação do C&P em rochas duras:
-resistência do minério: moderada a alta;
-resistência da encaixante: moderada a alta;
-forma: tabular, lenticular (variável);
-mergulho: geralmente < 30o com a horizontal;
-teor do minério: baixo a moderado;
-uniformidade: variável;
-profundidade do depósito: rasa a moderada.
C&P em rochas friáveis: -resistência do minério: fraca a moderada;
-resistência da encaixante: moderada a alta;
-forma: tabular (em camadas), grande extensão lateral;
-mergulho: geralmente horizontal ou < 15o com a horizontal;
-boa uniformidade de teores e espessuras de minério;
-profundidade do depósito: em carvão, preferencialmente inferior a 600 metros.
Características do método C&P em aplicações não-carvão:
- neste método retira-se minério de câmaras (stopes), que permanecem abertas durante a lavra; pilares são deixados para suporte do teto;
- o teto deve manter-se intacto (parafusos de teto são comumente instalados para reforçar os estratos);
- as câmaras e os pilares são, em geral, organizados em padrões regulares; pilares podem apresentar seção transversal circular, quadrada ou retangular;
- para obter-se máxima recuperação de minério, os pilares são confeccionados com as menores dimensões possíveis.
Animação de atividades de desenvolvimento e produção no Câmaras e Pilares:
\vídeos\rap.exe
Características ... (cont):
- Variações geológicas originam diferentes variações do método:
C&P clássicoAplica-se a depósitos horizontalizados,
apresentando estratos mineráveis que vão de moderada a grande espessura. Nos stopes, o piso é mantido plano, viabilizando o trânsito de veículos sobre pneus. Corpos de minério de grande dimensão vertical são minerados em fatias horizontais, iniciando no topo e finalizando no piso, com desmonte em bancadas.
C&P clássico (mecanização completa):
C&P clássico (mecanização parcial):
Características ... (cont): Step mining
É uma adaptação para o caso onde o mergulho do corpo de minério é grande demais (15o a 30o) para usar equipamentos sobre pneus, ao mesmo tempo em que sua espessura é relativamente pequena (2 a 5 metros). Uma orientação especial das galerias de trânsito e dos stopes cria áreas com piso horizontalizado, permitindo o uso de equipamentos sobre pneus. A mineração progride de cima para baixo nos painéis de lavra.
Step mining
Características ... (cont):
Post-pillar mining
Aplica-se a depósitos inclinados, com mergulho entre 20o e 55o. Possuem grande dimensão vertical, e o espaço minerado sofre enchimento (backfilling). O enchimento mantém a rocha estável (minimiza pilares) e serve como plataforma de trabalho para a próxima fatia.
Post-pillar mining
As recuperações de lavra (% extração típica) no C&P são variáveis em função do tipo de minério, como mostra o quadro abaixo. Fonte: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock.
Comparar carvão e ñ-carvão nos USA!
Recuperações de lavra (% extração típica) em
situações de rochas duras - hard rock:
- podem ser tão altas quanto 85% e são obtidas em geral na lavra em avanço;- recuperações de pilares são raras, pois pilares são pequenos e remoção é de risco;- às vezes os pilares são irregulares e remoção sistemática é impossível.
Equipamentos no C&P hard-rock:
- diesel em geral (FEL-front end loaders, LHD's, jumbos, trucks); todos equipamentos móveis (sobre pneus) devido à significativa extensão horizontal dos corpos de minério.
Configuração do C&P em rocha dura ...
(Mina Nova - AngloGold-GO/BRA, ouro)
Configuração do método C&P no carvão:
- aberturas ortogonais regularmente espaçadas formam arranjo de pilares quadrados ou retangulares;
- galerias de desenvolvimento (eixo) e de explotação (painel) possuem normalmente características bastante semelhantes; várias galerias paralelas e conectadas por travessões;
Configuração ... (cont.)
- é um método de mineração em larga-escala, com vários painéis podendo ser conduzidos simultaneamente;
- a unidade básica de mineração é o painel, que define a área a ser trabalhada e ventilada.
Configuração ... (cont.)
Eixo principal
Painel de lavra
Galerias de retorno
de ar contaminado
Vista geral de mina de carvão empregando C&P (Mina Fontanella, Treviso-SC)
Plano inclinado de acesso principal
Poço de ventilação (exaustão)
Painel de lavra (projeto)
Eixo em desenvolvimento
Principais parâmetros de projeto de C&P no carvão:
a) dimensões das galerias
b) dimensões dos pilares
c) lavra com ou sem recuperação de pilares
d) número de frentes no painel
a)dimensões das galerias:
-larguras de 5 a 6m são bastante comuns atualmente;-a altura é limitada pela espessura de carvão
minerável (nas jazidas de SC, a seção é retangular com alturas que vão de aprox. 2,0m até 3,5m);
-condicionam o escoramento de teto;-interferem em aspectos operacionais e de segurança;-as dimensões são usadas no cálculo da recuperação
de lavra.
Escoramento de teto:
Atualmente, para que o método Câmaras e Pilares tenha sucesso, as jazidas devem apresentar uma particular condição geológica de teto. Os extratos sobrejacentes à camada de carvão devem ter condição de auto-sustentação ou serem passíveis de ancoragem (há vários tipos de ancoragem com parafusos de teto, com princípios de funcionamento diferentes - ver Anexo A).
Devido os custos, escoramento com arcos metálicos ou madeira são usados apenas em áreas restritas da mina.
b)dimensões dos pilares:
-influem em aspectos operacionais (p.ex. distâncias de transporte) e de segurança (risco de colapso de pilares);
-influem na recuperação de lavra;
Tipos de pilares:
-pilares quadrados e pilares retangulares
-chain pillars (pilares internos do painel de lavra)
-barrier pillars (pilares de segurança)
Leitura complementar sobre pilares no C&P: Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock; cap. 59.1 a 59.3.
Recuperação de lavra:
-parcela da reserva minerada em relação à reserva total.
Exemplo comparativo de recup. no painel:
1)Painel com pilar quadrado de 14m de lado e galeria de 6m de largura...
2)Painel com pilar quadrado de 11m de lado e galeria de 6m de largura...
1) área do pilar Ap = 142
área total At = 202
Recup. = (1- Ap/At) x 100% = 51%
2) Ap = 112
At = 172
Recup. =
(1- Ap/At) x 100% = 58%
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0 5 10 15 20 25
largura dos pilares quadrados (m); (para galerias de 6m de largura)
recu
per
ação
Comparativo de recuperações de lavra em painel com pilares quadrados e galerias de 6m de largura:
c)lavra com ou sem recuperação de pilares:
modos mais comuns de lavra...
em avanço e sem recuperação de pilares (como é feito no Brasil);
com recuperação de pilares em retrocesso (feito em vários países, p.ex. USA).
Estratégias de recuperação de pilares:
Estratégias de recuperação de pilares:
Equipamentos para auxílio na recuperação de pilares:
Exemplo de painel de lavra:
Mina Leão (CRM-Rio Grande do Sul)
Lavra com recuperação de pilares:
d) número de frentes para operação eficiente dos equipamentos no painel:
O avanço do painel é feito através de diversas galerias paralelas (5 ou mais galerias, dependendo da mina) ligadas por travessões.
Precisa-se de mais frentes no modo convencional (drill-blast-load-haul) e menos frentes com continuous miner. O uso de continuous miner prejudica menos o teto e pilares e produz material fino.
Informações necessárias (essenciais) para planejamento de mina de carvão:
-mapa de espessura de camada;
-mapa de profundidade da camada;
-mapas de qualidade...
teor de cinzas, poder calorífico, enxofre, voláteis;
-dados geomecânicos do minério, piso e teto;
-mapa estrutural (falhas, diques,...).
Vantagens do método C&P:
• Moderada a alta produtividade (m3/homem-hora)
• Moderado custo de lavra (custo relativo=0.3)
• Moderada a alta taxa de produção
• Alto grau de flexibilidade (admite espessuras variáveis no minério); método facilmente modificável; pode operar em múltiplos níveis simultaneamente
• Permite alto grau de mecanização
• Método seletivo, permite deixar material estéril no
local.
• Não requer muito desenvolvimento antecipado.
• Pode ser operado em múltiplas frentes.
• Razoável recuperação sem extração de pilares (50-65% em carvão), baixa diluição (10-20%).
•Comparando com Longwall: LW é pratic. inflexível, requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são eventualmente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.
• Na comparação direta com Longwall: LW é pratic.
inflexível, requer maior investimento, há subsidência na superfície, apresenta altas produções (deve haver mercado para o produto!), recuperações globais do LW são freqüentemente mais baixas que C&P com recuperação de pilares.
Desvantagens:
-Requer contínua manutenção do teto e, eventualmente, dos pilares. A tensão nos espaços abertos aumenta com a profundidade.
-Significativo investimento de capital para mecanização extensiva.
-Perda de minério nos pilares.
• No caso do C&P em rochas duras, pode haver dificuldade de conseguir boa ventilação para diluição de contaminantes no painel em razão da baixa velocidade de ar nos grandes espaços abertos.
• Requer bom suporte técnico e de engenharia.
Equipamentos usados na lavra no método
câmaras e pilares para carvão:
Conjuntos mecanizados convencionais;
Conjuntos mecanizados com LHD’s;
Continuous miners;
Calhas de arraste + carregadeiras Bob-cat.
Equipamentos do conjunto mecanizado convencional:
Exemplo de conj. mecanizado convencional usado na Carbonífera Metropolitana S.A. (SC-BRA)
1 2
3
4 5
9
68
7AR LIMPO AR SUJ O
1 - LO ADER
2 - SHUTTLE-C AR
3 -PERFURATRIZ DE TETO
4 - C O RTADEIRA
5- PERFURATRIZ DE FRENTE
6 -ALIM ENTADO R
7 -C O RREIA TRANSPO RTAD O RA
8 -C ENTRO DE FO RÇ A
9 -VENTILADO R
Equipamentos operando com continuous miner:
Shuttle-car
Roof bolter
Configuração de painéis:
Continuous miner.
PainéisDrill & blast
Considerações sobre aplicabilidade do método C&P no carvão
Características das camadas:
-para continuous miners e equipamentos convencionais drill&blast – camadas entre 1 e 4m;
-características estruturais têm grande influência no sucesso do método;
Características estruturais...
-presença de falhas e diques podem inviabilizar a seqüência de lavra do
painel (no caso de deslocamentos verticais acentuados na camada de carvão);
podem provocar mudança do padrão de avançamento e equipamentos da frente de lavra;
demandam cuidados especiais no escoramento de teto (reforço de teto, telas, ...)
Características estruturais...
-mergulho da camada mineralizada
se for acentuado pode inviabilizar transporte sobre pneus que funciona bem com shuttle-car até 14 ou 15% (em rochas duras as declividades usadas vão até +/- 20%, com LHD’s);
equip. sobre esteiras funcionam até +/- 25%;
Características estruturais...
-espessura de overburden:
pressão vertical e resistência de rochas sedimentares limitam exploração de carvão a não mais do que 1200m de overburden;
nos USA, camâras-e-pilares são normalmente usados até 600m de overburden e longwall entre 600m e 800m;
no sul do Brasil, overburden do carvão para as minas em atividade geralmente é menor que 300m.
Características do piso e teto...
-C&P aceita condições variadas de teto devido às diferentes alternativas de escoramento. A redução dos vãos pode livrar o teto de condições precárias, mas resulta em perda de recuperação.
-Longwall requer folhelhos/siltitos (rochas c/baixa resistência como teto imediato) nos primeiros 10 ou 20m de teto.
Características do piso e teto...
-piso fraco/macio traz problemas para pilares e impede boa produtividade de equipamentos sobre pneus;
-Longwall é mais problemático em piso macio do que C&P.
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ANEXO A: Parafusos de teto
Parafusos de teto
Esta técnica de escoramento consiste na introdução de uma haste metálica em um furo, solidarizando-a com o maciço por ancoragem, selagem (resina ou cimento) ou fricção .
Vantagens deste tipo de escoramento :-baixo custo-pode ser mecanizado e a instalação é relativamente fácil-permite uma seção útil maior para a galeria-pode ser combinado com outros métodos de escoramento-permite escorar aberturas de grande altura.
Diferenças principais com os outros tipos de escoramento :
- a força de confinamento ( F ) exercida pelo parafuso implica na existência de uma reação equivalente ( R ) mais ou menos repartida no maciço . Nos outros escoramentos, a reação se encontra na superfície oposta.
Ação e reação sobre o maciço dos diferentes tipos de escoramento
Tipos de parafusos:
1. ancoragem pontual2. ancoragem repartida3. parafusos à fricção
Parafusos à coquilha de expansão
1. Parafusos a ancoragem pontualConsiste em colocar no furo
uma haste ancorada no fundo do furo por uma coquilha a expansão ou uma cunha expansora . As hastes geralmente empregadas são de aço dúctil ou aços de alta resistência.
Sistema de ancoragem ( o parafuso com coquilha )É composto por :- um cone de expansão solidário à haste-a coquilha que se alarga ( semelhante ao sistema de bucha-parafuso ) sob ação do cone de expansão pressionando-a contra a parede do furo.
Funcionamento do sistema cone-coquilha Quando se exerce uma tração sobre a haste se estabelece um equilíbrio duplo entre cone e coquilha e coquilha-parede do furo .
Equilíbrio de um sistema à expansão
2. Parafusos a ancoragem repartida:
O sistema consiste numa haste solidarizada ao terreno por meio de um produto químico, como resina ou cimento . É utilizada uma placa, que neste caso não é essencial ao funcionamento do parafuso. Este tipo de parafuso permite o escoramento por confinamento (o objetivo é lutar contra cisalhamentos ou abertura de fissuras). No parafuso, a ancoragem pontual atua como escoramento portante.
As hastes utilizadas são de três tipos (ver figura abaixo).
A resina:
Produto composto (resina + endurecedor).É um material de alta resistência:
Rc = 120 a 140 Mpa;t = 30 Mpa.
Esquema de Colocação
Cimento
Os produtos mais utilizados são :- cimento puro + água- mistura cimento+brita+água nas proporções(em peso): 42% , 42%, 16%.- produtos comercializados pelos fabricantes de parafuso
Em uma haste selada no comprimento L em um furo de diâmetro D, exercendo um esforço de tração F no eixo da haste , pode haver :- uma ruptura do produto de selagem - um escorregamento da haste .
Esquema de colocação
3. Os parafusos à fricção ( atrito )
Split – set:É composto por um tubo fendido ao longo da geratriz . O parafuso é introduzido em diâmetros de 36 mm por meio de um martelo perfurador .
O modelo standard tem as seguintes características :- espessura de tubo : 2.3 mm- diâmetro exterior : 38 a 39 mm
Swellex:
É fabricado pela Atlas-Copco.É composto por um tubo dobrado que, por injeção de água, se deforma e ocupa o furo. Atinge até 3,6m de comprimento e pode ser acoplado com outros tubos.
Vantagens:
ANEXO B: Dimensionamento de pilares em mina de carvão
Dimensionamento de pilares em mina de carvão pelo método da área tributária:
É o método mais simples de dimensionamento e, com algumas adaptações, serve tanto para carvão (corpos tabulares horizontalizados) quanto para outros depósitos geometricamente regulares (p.ex.: corpos metalíferos estratiformes e lenticulares). Neste método, só o estado de tensão axial nos pilares é levado em conta.
Passos para dimensionamento de pilares em carvão:
a)Determinar σc (resistência à compressão uniaxial) da rocha que compõe os pilares, obtida de testemunhos de sondagem, referente ao diâmetro D dos testemunhos (D em polegadas).
1 psi = 6,895 x 103 N/m2
b)Determinar k = σc D½ , onde k é a constante que relaciona a resistência à compressão uniaxial de pequenas amostras com σ1, a resistência à compressão uniaxial de volumes de rocha de dimensões comparáveis aos pilares in-situ. O parâmetro σ1 é dado por:
aplicável quando a espessura h da camada minerada é > 36 polegadas (0,9m);
aplicável quando a espessura h da camada minerada é < 36 polegadas.
c)Definir a equação de resistência σp dos pilares de mina.
Há várias equações diferentes, obtidas a partir de estudos diversos. Entre as mais usadas (w=largura do pilar, h=espessura do pilar):
Obs.: se o pilar não for quadrado, fazer w = we na fórmula de σp, onde we = 4 Ap / C.
Ap = área do pilar (perpendicular ao eixo vertical) que sofre o carregamento axial devido à cobertura H;
C = perímetro externo do pilar.
(Ref.: Brady & Brown, cap.13.)
d)Definir a largura da galeria B.
e)Determinar a carga Sp sobre o pilar, para uma espessura H de cobertura na área do depósito.
Sp = γ H [ (w+B)/w ] [ (L+B)/w ],
sendo γ = peso específico médio da cobertura;
L = comprimento do pilar.
f)Escolher o fator de segurança F. Fazer σp / F = Sp e resolver esta equação para w.
O intervalo 1.5 ≤ F ≤ 2.0 é usado em geral, mas cada fórmula possui recomendação quanto ao F a ser empregado.
g)Verificar a recuperação de lavra, supondo que a espessura total da camada será minerada:
Rec = 1- [ w/(w+B) ] [ L/(L+B) ] .
h)Se a recuperação não for aceitável e precisar ser aumentada, diminuir w e/ou L para satisfazer à meta. Verificar se a nova combinação w e L é aceitável do ponto de vista de estabilidade ( F = σp / Sp ).
Na fórmula de Bieniawski, F=1.5 é usado para pilares de curta duração (em painéis); F=2.0 para pilares de longa duração (eixos).
Exemplo:
Verificar a seguinte configuração de pilares de mina de carvão, em termos de segurança e recuperação de lavra ...
H = 500ft (152m);B = 18ft (5.5m);w = 60ft (18.3m);L = 80ft (24.4m);h = 7ft (2.1m).
O valor de k é 5580, baseado em σc = 3822 psi, obtido de testes em testemunhos de diâmetro NX.
Usar a fórmula de Bieniawski para cálculo da resistência dos pilares.
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