UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA – FACULTAD DE INGENIERIA

Minería Subterránea

MONTEVIDEO-URUGUAY (notas de aula - material de divulgação interna - 2013)

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Minería subterránea

Dr. Paulo Salvadoretti, Profesor, Departamento de Ingeniería de Minas, UFRGS. Nº de Créditos: 6 Horas Presenciales: 30  Temario Desarrollo de mina y proyecto. Construcción y desarrollo de aberturas subterráneas. Accesos por pozos y planos inclinados. Métodos de extracción subterránea. Ventilación de minas subterráneas.

Referências principais:

1.

Introductory Mining Engineering, 1987, H. Hartman.

2.Underground Min. Methods Handbook, 1982, W.A.

Hustrulid.

3.Underground Min. Methods: Eng. Fundamentals and International Case Studies, 2001, W.A.Hustrulid & R.Bullock.

4.SME Min. Eng. Handbook, 2011, ed. Peter Darling.

5.SME Min. Eng. Handbook, 1992, H.Hartman e outros.

6.Rock mechanics for underground mining, 1993, B.H.G.

Brady & E.T. Brown.

7.Hard Rock Miner’s Handbook, 2000, J.N. de la Vergne, ISBN 0-9687006-0-8.

Introdução à mineração subterrânea Atualmente, volumes de que a a mineração em subsolo apresenta produção significativamente menores do mineração à céu aberto.

subterrâneas: Porém, minas -ainda ocupam uma posição essencial na indústria de mineração em todo o mundo; não devem diminuir sua aplicação.

Introdução à mineração subterrânea Razões para a continuidade da mineração em subsolo: -esgotamento dos depósitos a céu aberto conseqüente busca por depósitos mais profundos; e -menores impactos ambientais; -melhorias constantes em equipamentos de subsolo.

A abordagem de sistemas em lavra subterrânea:

Sistemas subterrânea em

Controle do maciço

mina Descrição

Suporte (escoramento de teto), escavações, subsidência, estabilidade do maciço Escavação e manuseio de sólidos Penetração na rocha, fragmentação, movimentação de materiais e estocagem Suporte aos trabalhos Suporte logístico Ventilação, drenagem, iluminação, segurança e saúde do pessoal Energia, suprimentos, reparos, manutenção, construção, sondagens

O principal sistema manuseio de é o sistema de escavação e sólidos.

Os demais sistemas devem garantir o adequado funcionamento do sistema de escavação e manuseio de sólidos.

Escolha do método de lavra:

A escolha do extremamente projeto de método de lavra é uma decisão importante, mineração; afetando todo o A definição do método permite: -estabelecer a configuração da mina; -escolher os equipamentos de lavra; -efetuar a empreendimento.

avaliação econômica do

Exemplos de fatores na escolha do método de lavra:

Forma do depósito Dimensões do depósito Resistência do minério e da encaixante Profundidade Condicionamento geológico Conteúdo e distribuição do minério no depósito.

A mineração subterrânea em termos mundiais:

Extraído de: Secretaria Germany, D.J., 2002, A mineração no Brasil, doc. int. da Técnica do Fundo Setorial Mineral,CT-Mineral.

Referenciais mais importantes sobre lavra concentram relativos o maior número à mineração subterrânea.

de minas, subterrânea: Escandinávia (Suécia e Finlândia), América do Norte (USA e Canadá), Chile, África do Sul e Austrália. Estes países universidades, instituições de pesquisa e fornecedores de equipamentos Na Suécia há grande desenvolvimento de equipamentos e automação. O país é fabricante de equipamentos móveis através da Atlas Copco e Sandvick.

Na Finlândia, as minas de sulfetos polimetálicos foram os locais de maior desenvolvimento tecnológico. Cita-se o grupo Tamrock, fornecedor de equipamentos móveis.

A mineração subterrânea em termos mundiais:

de No Canadá, há grande desenvolvimento da mineração em províncias como Ontario e Quebec. O país dispõe de um parque fornecimento de equipamentos e serviços bastante desenvolvido. As iniciativas do Estado e a esforços de várias empresas privadas em estreita associação com as universidades, conjugação dos têm permitido o estabelecimento de centros de referência, tais como a University of Toronto, a McGill University, a Queen’s University e a University of British Columbia.

estão Os Estados desenvolvimento entre as Unidos tanto da em referências América apresentam grande carvão quanto Universidades com Colorado School of Mines e da acadêmicas não-carvão.

Pensilvânia mundiais importantes. O parque fornecedor de equipamentos mais móveis é muito desenvolvido.

A mineração subterrânea em termos mundiais:

O Chile de cobre.

é referência pela mineração de cobre, respondendo por cerca de 30% da produção mundial, em parte por mineração subterrânea. Destacam-se as minas da Codelco, estatal chilena Na ligados África do Sul, destaca-se a produção de ouro, diamantes e platina.

Várias das minas sul-africanas trabalham abaixo de 3000m de profundidade. O entendimento das condições de trabalho a estas profundidades trouxe grande desenvolvimento tecnológico, em particular no que diz respeito aos fenômenos à mecânica das rochas e ventilação. As operações de empresas como a Rio Tinto, Anglo American e Gencor estão em conformidade com os melhores padrões internacionais.

A mineração subterrânea em termos mundiais:

Na com a Austrália há, em geral, minas de alta produtividade, com o uso de métodos e técnicas modernas de planejamento e operação. Está na Austrália o mercado de software para mineração mais concorrido do mundo. A University of Queensland e a University of Western Australia acadêmicas de primeira linha, atuando em estreita cooperação indústria.

são referências

A mineração subterrânea em termos de Brasil:

A maior parte da aberto.

produção mineral brasileira é feita a céu Há poucas operações subterrâneas com uma escala superior a 400 t/d.

De uma maneira geral, os produção empregados nas minas brasileiras são modernos, estando próximos, em termos de segurança e produtividade dos trabalhos, ao que se consegue na distância em relação às operações de ponta num contexto internacional é significativa.

métodos e processos de média no exterior. Porém, a

Exemplos de minas subterrâneas em operação no Brasil (prod. acima de 400.000 t/ano, até 2002):

Minas subterrâneas em operação no Brasil (prod. acima de 400.000 t/ano, até 2002):

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Minas Profundas

As mais profundas do mundo: TauTona de Witwatersrand South Africa e Savuka (ouro) na região . (3,900 m)  A mina mais profunda da América do Norte: Agnico-Eagle's LaRonde Mine (ouro e zinco); Quebec . LaRonde's Penna #4 shaft é um dos shafts mais profundos do mundo : 3,000 m.  As minas mais profundas da Australia (cobre / zinco /chumbo) estão em Mount Isa Queensland (1,800 m ).

  Minas de platina paladio em 2,200 m (7,200 ft).

em Merensky Reef South Africa , trabalham As mais duras condições de trabalho em minas hard-rock ocorrem em Witwatersrand South Africa , com trabalhadores em temperaturas de até 45°C (113°F). Plantas de refrigeração são usadas para produzir temperaturas do ar em torno de 28 °C (82°F).

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Elementos de mina:

Elementos de mina:

-Acessos principais -Conexões de acesso às frentes de lavra -Caminhos de escoamento do minério -Escoamento de estéril -Ventilação -Equipagem: Ar Água Energia Elétrica -Drenagem - Galerias de Pesquisa

Alguns termos empregados na mineração subterrânea:

Back – teto ou superfície interna de uma escavação subterrânea (sinônimo de

roof

); Capping – material estéril sobrejacente ao depósito mineral; Crown pillar – porção de um depósito sobrejacente a uma escavação e deixada intacta na forma de pilar. Também pode ser o pilar de sustentação acima do drawpoint; Dip – ângulo de inclinação de um depósito medido a partir da horizontal (sinônimo de atitude);

Floor – piso ou superfície inferior de uma escavação subterrânea; Footwall – lapa de um depósito; Gob no – porção já minerada de um depósito (área de abatimento método Longwall); Hanging wall – capa de um depósito; Pillar – porção não minerada de um depósito que serve de suporte para o teto ou capa; Roof – vide back; Sill pillar – porção subjacente de uma escavação e deixada intacta na forma de pilar de sustentação ;

Overhand cima; – sentido de avanço da mineração de baixo para Underhand baixo; – sentido de avanço da mineração de cima para Bell – escavação em forma de funil, formada no topo de um raise para mover material fragmentado, por gravidade, de um stope para um drawpoint; Crosscut um – galeria orientada perpendicularmente ao strike de depósito que apresenta inclinação com a horizontal; Drawpoint – ponto de carregamento de minério fragmentado localizado na parte inferior do stope e que usa a gravidade para escoar material fragmentado para um chute ou equipamento de carga;

Drift – galeria orientada paralelamente ao strike de um depósito que apresenta mergulho; Finger raise – abertura aproximadamente vertical usada para transferir minério de um stope para um drawpoint (ponto de carga); Grizzly – grelha para impedir a entrada de material de granulometria excessiva em um sistema de transferência; Level – sistema de aberturas horizontais conectados a um shaft ou rampa de acesso; corresponde a um horizonte de operação da mina;

Loading pocket – ponto de transferência localizado no shaft onde material fragmentado é passado para os skips; Orepass flui – abertura aproximadamente vertical para onde minério por gravidade; Portal – conexão de mina subterrânea com a superfície; Raise – abertura aproximadamente vertical, escavada de baixo para cima, ligando um nível a outro;

Shaft – abertura aproximadamente vertical, conectando a superfície aos trabalhos em subsolo; Slope – plano inclinado, conectando a superfície aos trabalhos subterrâneos; Slot – abertura estreita vertical ou inclinada escavada em um depósito na extremidade de um stope para proporcionar uma face livre; Stope de – grande abertura subterrânea originada pela extração minério;

Sublevel – nível intermediário posicionado entre níveis principais; Undercut – abertura escavada sob uma porção de um depósito, p.ex. um stope, para induzir e facilitar a fragmentação do depósito; Winze – abertura aproximadamente vertical, efetuada de cima para baixo ligando um nível a outro.

Elementos de mina

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- A etapa de desenvolvimento - Tipos de desenvolvimento e fatores determinantes Desenvolvimento x método de lavra Poços e sua localização

Desenvolvimento em minas subterrâneas etapa onde estará preparando-se a infra-estrutura para a futura produção; é uma fase de grande desembolso; a escolha do método de lavra governa a localização das aberturas principais. Por exemplo: usando se um método caving (implica em subsidência na superfície) todos os acessos principais devem ficar fora da zona de colapso e fraturamento.

Acessos ao subsolo: Os fatores mais críticos para a definição da locação e tipo de acessos ao subsolo são relativos à geologia: geometria, profundidade, características mecânicas do corpo de minério e das encaixantes são os fatores mais importantes. Outros fatores que podem também ser decisivos: localização, custo da obra, tipo de financiamento, etc.

Em termos de comprimento das obras: a maior parte são aberturas horizontais; o restante são raises, shafts, planos inclinados, rampas, etc.

Tipos de acessos principais (mine entries) usados na

exploração subterrânea: São os acessos ligando a superfície e o ambiente de subsolo.



Poço vertical (vertical shaft)



Poço inclinado (inclined shaft)



Rampa de acesso (ramp access) – adequada para acesso de veículo sobre pneus ... LHD’s e trucks



Plano inclinado (decline access) – adequado para instalação de correia transportadora



Galeria de encosta (adit access) – adequado para regiões de montanha

Elementos chave para definir o número de acessos primários ao subsolo e sua área de seção: permitir adequada taxa de produção (transporte de minério) para a superfície; proporcionar a ventilação necessária; aberturas com seção suficiente para permitir trânsito dos equipamentos, da superfície para o subsolo e entre níveis dentro da mina.

Abaixo, os três tipos de acessos principais em minas de carvão...

Galeria de encosta: Também denominada Adit ou Drift, é o acesso de mais baixo custo de construção e operação; porém seu uso está limitado às situações de geologia favorável.

É um acesso que representa a escolha mais natural quando o corpo de minério é acessível através de uma galeria horizontal.

Plano inclinado versus Shaft: Planos inclinados têm algumas vantagens sobre shafts ...

podem ser abertos mais rápido e com menor custo/m (até uma dada profundidade!). Ver diagrama comparativo abaixo. permitem transporte contínuo (correias transportadoras).

permitem maiores seções, para equipamentos maiores e ventilação mais fácil.

facilitam o acesso em caso de emergências.

Plano inclinado versus Shaft ...

shafts: Por outro lado, as desvantagens em relação aos são pelo menos 3 vezes mais longos que shafts, para a mesma profundidade.

os custos de capital são maiores.

se executados em rochas frágeis, o maior comprimento resultará em custos de manutenção mais elevados.

Mine layout

Extraído de: Hard rock miner´s handbook,2000.

O fluxograma a seguir fornece uma estratégia preliminar de decisão para esta escolha, em situações ñ-carvão.

(

Extraído de Hard rock miner ´s handbook,2000 .)

Rampas:

Algumas características para rampas desenvolvidas em minas não-carvão: - declividades entre 10 – 14%, podendo chegar a 20% em casos extremos; raio de curva de 15,0m é bastante comum; rampas típicas são executadas em loops, com declividade de 14% nos trechos retilíneos e 10% nas curvas (as curvas podem possuir seção alargada, para permitir tráfego em duas vias).

Shafts:

São ideais para corpos mineralizados de grande extensão em profundidade. Podem ser complementados por uma rampa para acelerar a pré-produção (mais tarde, a rampa será usada como acesso de serviço). Shafts, quando abertos em aprofundamento a partir da superfície, são as aberturas em subsolo mais caras e que consomem mais tempo. A grande maioria é aberta por drill-blast. Más condições geomecânicas do maciço favorecem os shafts em relação às outras opções de acesso.

Alguns exemplos de minas onde usa-se shaft para levar a produção até a superfície:

Projeto e localização de poços localização dos poços é fator importante nos custos de produção e desenvolvimento; - o número de poços e o diâmetro depende diretamente da escala de produção da mina e do tamanho do corpo de minério.

poços.

Existem sistemas de mina com dois, três ou mais

Projeto e localização de poços Em sistemas de dois central do corpo de poços, a localização pode ser na parte minério (a) ou no footwall (b). O primeiro poço tem tem função de transporte de minério, pessoal e material; o segundo função de ventilação.

Projeto e localização de poços Três poços são necessários quando a área de mineração é grande e o sistema de ventilação com apenas dois poços torna-se insuficiente. Neste caso, os poços de ventilação têm diâmetro menor que o poço de produção.

Em sistemas de quatro poços, as funções são as seguintes: um poço de produção e entrada de ar, outro poço de transporte de pessoal e material e entrada de ar e dois poços de ventilação. Os poços de produção, transporte de pessoal e material geralmente são centralizados em relação ao depósito.

Exemplos de regras práticas para localização inicial de shafts...

Extraído de: Hard rock miner´s handbook,2000.

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Tipos principais de shafts verticais: a) shaft com seção retangular e dois compartimentos; b) shaft retangular e três compartimentos; c) shaft circular concrete lined; d) shaft circular concrete lined rings; e) shaft circular bald.

Características principais: a) shaft com seção retangular e dois compartimentos estrutura de madeira; atinge profundidades até +/- 400m; apropriado para fase de exploração ou de pequena produção; mais baixo custo. b) shaft retangular e três compartimentos estrutura de madeira; usado para exploração, podendo atingir grandes profundidades e maiores produções.

Shaft:seção retangular

Shaft: seção circular

c) shaft circular concrete lined alto custo; revestimento de concreto (monolítico); usados geralm. para produção (não exploração); são obras permanentes; a locação e o diâmetro devem ser previamente determinados (isto nem sempre é possível no início do empreendimento).

d) shaft circular concrete lined rings construído com anéis horizontais de concretos separados de uma certa distância, entre os anéis usa se rock bolts e telas; mais barato que o monolítico, mas com aprofundamento mais lento; se for usado como via de ventilação de alta velocidade, a alta resistência será problema.

e) shaft circular bald escorado com rock bolts e telas; mais barato (e menos seguro) que os shafts de concreto; apropriado para etapas de exploração, pequena produção e/ou ventilação.

Tipos de shafts mais usados hoje em dia em rochas duras: -em minas de pequeno porte ... Shaft retangular com suporte de madeira; em grandes minerações ...

Shaft circular lined.

Sistemas de guincho em shafts: Drum hoist Friction sheave hoist (Koepe hoist)

Aplicação dos métodos de içamento: Prof.

ótima Máxima cap. skip Máxima produção Drum < 1,8 km 25 t 820 t/h Friction(Koepe) < 0,9 km 77 t 2540 t/h

Sistemas de guincho em shafts: Drum hoist & Koepe hoist ...

detalhes a respeito das vantagens/desvantagens de cada sistema – ver em Hard rock miner’s handbook(2000), cap.6, cap.13, cap.14.

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Acessos de mina: d etalhes de construção do plano inclinado da Mina Esperança Carbonífera Metropolitana,Treviso/SC.

-construído na década de 80, atualmente não está em funcionamento; -o plano inclinado é usado para acesso de pessoal, materiais e produção de carvão (correia transportadora instalada em parte da seção do plano); -para a locação do plano, escolheu-se um zona da jazida onde a cobertura é pequena; -taxa de produção de carvão pela correia transportadora = 100.000 t/mês; -construído pela própria empresa no ciclo convencional drill-blast;

-comprimento aproximado de 400 metros, com duas rampas separadas por um trecho plano; -desmonte com avanço de 1,5 metros/turno de trabalho (poços verticais, também construídos na mina pelo pessoal da empresa, avançavam 1 metro/turno); bob-cat; -tempo de execução da obra: aprox. 6 meses; -a limpeza do material desmontado é feita por CT, exceto nos primeiros 30 metros do plano, onde usou-se uma -o plano inclinado foi aberto em toda a extensão escorado com parafusos de teto. Após completar todo o comprimento, usou-se concreto pré-moldado para o escoramento definitivo.

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Abertura/Perfuração de raises fluxo de -executada quando a galeria inferior está desenvolvida; técnica só utilizada em rochas competentes, com pouco água; -pode ser feita no ciclo drill-blast (convencional) ou com abertura mecanizada (p.ex. Alimak e Raise boring).

-vantagens/desvantagens do modo convencional:



baixo custo (??)



a altura do raise é limitada (até 100m)



possibilidade de desvio

 

maior tempo de maior risco execução para operários (p.ex. queda de fragmentos).

Elevação mecanizada com sistema Alimak

Raising com sistema Alimak

Sistema Alimak

A elevação mecanizada com Alimak tem as seguintes vantagens sobre a convencional: permite poços mais longos e em rochas mais brandas é mais seguro devido a uma cabina de transporte risco de gases é reduzido devido ao bombeamento de ar para a face permite seções maiores que 8 m 2

Raise boring M étodo de abertura mecanizada do raise, com as seguintes vantagens: não há trabalhadores na face do poço; -velocidade de avanço é maior; não usa explosivos, eliminando distúrbios no maciço que provocam a instalação de suportes mais reforçados (escoramento) nas paredes; -forma circular perfeita e paredes lisas resistência à ventilação e à passagem de minério; -custo final menor.

diminuem a Desvantagens: avanço é muito lento para rochas mais duras; entre -o método em geral necessita que já existam outros acessos níveis.

Raise boring Arranjos principais de perfuração do raise: -procedimento posicionada em convencional: máquina de perfuração nível superior (ou na superfície do terreno) faz furo piloto até galeria situada mais abaixo. O raise sofre, então, alargamento que progride de baixo para cima. Ver figuras (a) e (b).

-procedimento inverso: furo piloto feito de baixo para cima e alargamento de cima para baixo.

-furo cego: a máquina é colocada em nível inferior e abre a seção completa de baixo para cima (p.ex. BorPak, fabricado pela Atlas Copco).

Características de raises executados: -comprimento até 1000 metros; diâmetro entre 1,5 e 6,0m; inclinação: 45 a 90º com a horizontal.

Extensão do poço por elevação – raise boring

Raise Boring Machine (RBM) equipamento instalado em galeria no subsolo, executando procedimento convencional de ligação entre níveis:

Perfuração mecanizada de poços (shafts) Os métodos de abertura mecanizada de poços são chamados de shaft boring ou shaft drilling.

Aplicam-se, normalmente, em rochas brandas a moderadas em termos de resistência à compressão uniaxial .

shaft boring machines



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