Transcript O método de câmaras e pilares

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 clássico
Aplica-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 largaescala, 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)
Eixo em
desenvolvimento
Plano inclinado de
acesso principal
Painel de lavra (projeto)
Poço de ventilação
(exaustão)
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
relação à reserva total.
minerada
em
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%
Comparativo de recuperações de lavra em
painel com pilares quadrados e galerias de 6m
de largura:
0.80
0.75
0.70
recuperação
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0
5
10
15
20
25
largura dos pilares quadrados (m );
(para 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
mecanização extensiva.
-Perda de minério nos pilares.
de
capital
para
• 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
convencional:
conjunto
mecanizado
Exemplo de conj. mecanizado convencional usado na
Carbonífera Metropolitana S.A. (SC-BRA)
3
4
1
5
2
6
A
RLIM
P
O
8
7
Equipamentos operando com continuous miner:
Shuttle-car
Roof bolter
Configuração
de
painéis:
Continuous miner.
Painéis
Drill & 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
influência no sucesso do método;
grande
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.
-----------------------
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 pontual
2. ancoragem repartida
3. parafusos à fricção
1. Parafusos a ancoragem pontual
Consiste 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.
Parafusos à coquilha de expansão
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
Esquema de colocação
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 .
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.
-----------------------