Dissertação de Mestrado
ESTUDOS PARA AVALIAÇÃO DA
CAPACIDADE DE RESERVATÓRIO DE
REJEITOS DE NIÓBIO
AUTOR: MARCOS ANTÔNIO LEMOS JÚNIOR
ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero César Gomes (UFOP)
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA DA UFOP
OURO PRETO - MAIO DE 2012
ii
L557e
Lemos Júnior, Marcos Antônio.
Estudos para avaliação da capacidade de reservatório de rejeitos de nióbio
[manuscrito] / Marcos Antônio Lemos Júnior – 2012.
xvii, 118f.: il., color.; graf.; tab.; mapas.
Orientador: Prof. Dr. Romero César Gomes.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de
Minas. Núcleo de Geotecnia - NUGEO.
Área de concentração: Geotecnia Aplicada à Mineração.
1. Geotecnia - Teses. 2. Barragem - Teses. 3. Rejeitos - Reservatório - Teses.
4. Nióbio - Teses. 5. Sedimentação e depósitos - Modelo deposicional - teses.
I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 624.136:553.493.54
Catalogação: [email protected]
“Agir, eis a inteligência verdadeira. Serei o que quiser. Mas tenho que querer o
que for. O êxito está em ter êxito, e não em ter condições de êxito. Condições de
palácio têm qualquer terra larga, mas onde estará o palácio se não o fizerem ali.”
Fernando Antônio Nogueira Pessoa (1888 – 1935)
iii
DEDICATÓRIA
Dedico esta dissertação aos meus pais, Marquinho e Aparecida,
porque se não fossem eles, eu não teria conseguido finalizar mais esta
etapa da minha vida. Obrigado por tudo que sempre fizeram por mim
e pelas palavras de incentivo, apoio e confiança.
iv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer a DEUS, pelo dom da vida, pela saúde, pelas
oportunidades e conquistas que tem me proporcionado. Sem estas, não alcançaria meus
objetivos.
Aos meus pais e minhas irmãs, Lilian e Lidian, por estarem sempre presentes em minha
vida, apoiando-me, ajudando e principalmente acreditando em mim. Tenho certeza que
se eu não tivesse uma família como vocês, eu não seria o que sou hoje. Obrigado por
fazerem parte da minha vida!
À minha noiva, Laurinha, por todo amor, companheirismos, compreensão e incentivo,
durante estes anos que estamos juntos.
À CBMM, pela oportunidade de trabalho e desenvolvimento desta pesquisa. Ao Eng.
Hernane Salles, pela ajuda na escolha do tema desta dissertação e pelo apoio para a
realização deste estudo. Aos Engenheiros, José Carlos Sampaio, Paulo Morgado,
Rogério Murta e ao Geol. Bruno Riffel, pelo apoio técnico e companheirismo durante a
realização deste trabalho. Aos colegas, Sander Dib e João Mendes pela ajuda na
elaboração dos desenhos topográficos. Ao Bruno Ricardo e ao Gustavo Rios, pela ajuda
na compilação dos dados e configuração do trabalho. Aos meus colegas de trabalho da
Manutenção de Barragens e à equipe de topografia do Sr. Morgado, que muito me
ajudaram no desenvolvimento das atividades de campo. Aos colegas da unidade de
Concentração, pela ajuda no entendimento do processo de beneficiamento do minério.
E enfim, ao Prof. Dr. Romero César Gomes, pelo aprendizado, orientação e
contribuição técnica, durante a elaboração deste trabalho e à Jussara Soares, secretária
do Mestrado Profissional, pela ajuda nas interfaces com a UFOP.
v
RESUMO
Com o crescente desenvolvimento das atividades de mineração e por consequência, a
elevação da taxa de geração de rejeitos ou subprodutos do processo de beneficiamento
mineral, torna-se necessário otimizar as estruturas em operação e melhorar o
entendimento do sistema de disposição desses materiais. Atualmente, as mineradoras
têm adotado como alternativa para a disposição desses materiais, o lançamento na forma
de polpa (sólido + água) em reservatórios contidos por barragens, sejam estas
construídas com o próprio rejeito ou mesmo com materiais de empréstimo. Este
trabalho consiste em avaliar a melhor alternativa de disposição dos rejeitos gerados no
processo de beneficiamento do nióbio, da mina localizada em Araxá – MG. Para a
concentração do minério são gerados três tipos de rejeito: Lama, Magnetita e Rejeito da
Flotação, os quais podem ser dispostos em diversas formas. Neste estudo foi avaliado o
modelo deposicional das misturas de ‘Lama+Flotação’, ‘Lama+Flotação+Magnetita’ e
somente da Magnetita para identificar em qual das metodologias de disposição é
possível otimizar ao máximo o reservatório. As análises foram realizadas através do
controle das massas específicas, do adensamento, da segregação hidráulica, da
declividade das praias de sedimentação, da compressibilidade das partículas submersas
e da influência do sistema de disposição do rejeito, em baias experimentais e na
barragem em operação. Além disso, no laboratório, foi realizada uma caracterização
tecnológica dos rejeitos gerados. Com base nos estudos desenvolvidos nesta pesquisa,
conclui-se que, quando a magnetita é adicionada ao rejeito de ‘lama+flotação’, o
modelo deposicional dos materiais é comprometido, impactando negativamente na
capacidade de armazenagem do reservatório. Portanto, a melhor forma de disposição é
aquela em que os rejeitos são lançados com ‘Lama+Flotação’ e somente a Magnetita.
vi
ABSTRACT
With the increasing development of the mining activities and consequently, the increase
of the rate of tailings generation or by-products of the mineral beneficiation process, it
becomes necessary to optimize the structures in operation and improve the knowledge
of the disposal system of these materials. Currently, mining companies have adopted, as
an alternative solution to dispose these materials, the release in form of slurry (solid +
water) in reservoirs contained by dams. The structure of the dams can be built with their
own tailing or with materials from other areas. This work is to evaluate the best
alternative to dispose three kinds of tailings: Mud, Magnetite and Flotation Tailing,
generated in the niobium beneficiation process, from the pit located in Araxá – MG
(Minas Gerais). These tailings can be disposed in several ways. In this study it has been
analyzed the depositional model of the Magnetite and the following mixtures: ‘Mud +
Flotation Tailing’, ‘Mud + Flotation Tailing + Magnetite’, to identify which of the
available methodologies allows a maximum optimization of the reservoir. The analyses
were performed by controlling the specific mass, the densification, the hydraulic
segregation, the slope of the sedimentation beach, the compressibility of the submerged
particles and the influence of the tailing disposal system, in small experimental reservoir
and in the operating dam. Moreover, a technological characterization of the generated
tailings was performed in the laboratory. Based on research conducted in this study,
when the magnetite is added to the tailings of 'Mud + Flotation Tailing', the depositional
model of the material is compromised, negatively impacting the reservoir storage
capacity. Due to this, the best form of disposal is one in which the tailings are released
with 'Mud + Flotation Tailing’ and magnetite separately.
vii
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Estágios de deposição do rejeito em reservatórios (Imai, 1981)
Figura 2.1 – Alteamento para montante (Gomes, 2006)
Figura 2.2 – Alteamento para a jusante (Gomes, 2006)
Figura 2.3 – Alteamento para a jusante com preparação da fundação na 1ª etapa
Figura 2.4 – Alteamento por linha de centro (Gomes, 2006)
Figura 2.5 – Geomembrana de PEAD
Figura 2.6 – Geocomposto bentonítico
Figura 2.7 – Tipos de geocomposto bentonítico (Vilar, 2003)
Figura 2.8 – Geomembrana betuminosa
Figura 2.9 – Solda da geomembrana betuminosa
Figura 2.10 – Camadas de formação da geomembrana betuminosa
Figura 3.1 – Localização do complexo de nióbio em Araxá/MG
Figura 3.2 – Vista por satélite da região do complexo de nióbio
Figura 3.3 – Ferronióbio (liga metálica de ferro e nióbio)
Figura 3.4 – Vista aérea do complexo industrial da CBMM em Araxá/MG
Figura 3.5 – Mapa Geológico da Sinforma de Araxá (Seer, 1999)
Figura 3.6 – Tectonoestratigrafia do Sinforma de Araxá (Seer, 1999)
Figura 3.7 – Afloramento de anfibolitos no Grupo Araxá (Seer, 1999)
Figura 3.8 – Localização dos complexos alcalino-carbonatíticos
Figura 3.9 – Formação geológica do complexo alcalino-carbonatítico de Araxá (Grossi
Sad & Torres, 1976)
Figura 3.10 – Mapa geol.: Complexo Alcalino-Carbonatítico de Araxá (Silva, 1986)
Figura 3.11 – Fases do complexo carbonatítico de Araxá (Issa Filho et al., 1984)
Figura 3.12 – Vista aérea da mina de nióbio da CBMM em Araxá/MG
Figura 3.13 – Operações de lavra da mina de nióbio
Figura 3.14 – Correia que transporta o minério da mina até à unidade de concentração
Figura 3.15 – Silos de estocagem de minério e Unidade de Concentração
Figura 3.16 – Fluxograma do processo de concentração do nióbio
Figura 3.17 – Concentração: (a) Britador de rolos dentados; (b) Moinho de bolas
viii
Figura 3.18 – Concentração: (a) Separadores magnéticos; (b) Saída da magnetita
Figura 3.19 – Concentração: Etapa de deslamagem
Figura 3.20 – Concentração: Etapa de flotação
Figura 4.1 – Vista aérea da Barragem 6 (CBMM – Araxá/MG)
Figura 4.2 – Vista área das Barragens de Rejeito de Nióbio nº 5 e 6, no ano de 2002
Figura 4.3 – Curva ‘cota x volume’ para a Barragem 6 (Morgado, 2009)
Figura 4.4 – Seção longitudinal ao eixo do maciço – ombreira esquerda da Barragem 6
(Cordeiro, 2001a)
Figura 4.5 – Obras para construção da Barragem 6
Figura 4.6 – Seção transversal da Barragem 6 e etapas de alteamento (Cordeiro, 2001b)
Figura 4.7 – Sistema de impermeabilização da Barragem 6 (Cordeiro, 2001b)
Figura 4.8 – Instalação de geomembrana de PEAD
Figura 4.9 – Detalhe da solda da geomembrana de PEAD
Figura 4.10 – Galeria de concreto transversal ao maciço da barragem
Figura 4.11 – Instrumentos instalados no maciço da Barragem 6 (DFconsultoria, 2008)
Figura 4.12 – Vista dos instrumentos de monitoramento
Figura 4.13 – Esquema dos piezômetros e medidores de NA instalados na barragem
(DFconsultoria, 2008)
Figura 4.14 – Processo original do lançamento dos rejeitos de lama e flotação
Figura 4.15 – Processo atual do lançamento dos rejeitos de lama e flotação
Figura 4.16 – Processo do lançamento dos rejeitos de magnetita na barragem
Figura 4.17 – Estação de tratamento de efluentes
Figura 4.18 – Gerenciamento de águas
Figura 5.1 – Vista geral das baias experimentais de disposição dos rejeitos
Figura 5.2 – Pontos de amostragem nas baias experimentais
Figura 5.3 – Coleta de material para as análises laboratoriais
Figura 5.4 – Amostras para realização dos ensaios laboratoriais
Figura 5.5 – Microscópio Eletrônico de Varredura utilizado nas análises
Figura 5.6 – Equipamento utilizado para a realização das análises DRX
Figura 5.7 – Imagens e elementos químicos da amostra de rejeito (Lama+Flotação)
Figura 5.8 – Difratograma das fases presentes na amostra de rejeito de Lama+Flotação
Figura 5.9 – Imagens e elementos químicos da amostra de (‘lama+flotação+magnetita’)
ix
Figura 5.10 – Difratograma das fases da amostra de ‘lama+flotação+magnetita’
Figura 5.11– Imagens e elementos químicos da amostra de rejeito de magnetita
Figura 5.12 – Difratograma das fases presentes na amostra de rejeito de magnetita
Figura 5.13 – Curvas granulométricas para os três tipos de rejeitos estudados
Figura 5.14 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito L+F)
Figura 5.15 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito L+F+M)
Figura 5.16 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito M)
Figura 5.17 – Curvas de permeabilidade dos rejeitos ensaiados
Figura 6.1 – Baia experimental impermeabilizada com geomembrana de PEAD
Figura 6.2 – Lançamento do rejeito nas baias experimentais
Figura 6.3 – Baias experimentais para avaliação da segregação hidráulica
Figura 6.4 – Lançamento do rejeito L+F na baia de 45 metros
Figura 6.5 – Lançamento de rejeito L+F+M na baia de 45 metros
Figura 6.6 – Amostrador utilizado para as medições da massa específica
Figura 6.7 – Coleta de amostra do rejeito de magnetita com cilindro biselado
Figura 6.8 – Monitoramento de massa específica do rejeito L+F seco, disposto em baia
Figura 6.9 – Monitoramento da massa específica do rejeito L+F+M seco, disposto em
baia
Figura 6.10 – Monitoramento da massa específica do rejeito M seco, disposto em baia
Figura 6.11 – Lançamento e formação da praia de rejeitos de magnetita na barragem
Figura 6.12 – Coleta de rejeitos nas baias longas por meio de amostrador
Figura 6.13 – Monitoramento da massa específica para rejeitos secos de L+F e L+F+M
(baias longas)
Figura 6.14 – Pontos de análises de massa específica na praia da barragem em operação
Figura 6.15 – Monitoramento da massa específica ao longo da praia da barragem em
operação
Figura 6.16 – Estacas de madeira para medição das espessuras de rejeitos
Figura 6.17 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos L + F (medidas superficiais)
Figura 6.18 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos L+F+M (medidas superficiais)
Figura 6.19 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos M (medidas superficiais)
Figura 6.20 – Curvas granulométricas do rejeito L+F depositado na baia de 45 m
Figura 6.21 – Curvas granulométricas do rejeito L+F+M depositado na baia de 45 m
x
Figura 6.22 – Pontos de coleta das amostras na barragem para as análises de segregação
Figura 6.23 – Curvas granulométricas dos rejeitos depositados na barragem em
operação
Figura 6.24 – Geometria da superfície de deposição dos rejeitos nas baias experimentais
Figura 6.25 – Pontos e seções de referência do depósito de rejeitos da barragem
(CBMM, 2011)
Figura 6.26 – Realização da sondagem piezométrica no reservatório da barragem
Figura 6.27 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 2 m
Figura 6.28 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 4 m
Figura 6.29 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 7 m
Figura 6.30 – Perfis de tensões totais, efetivas e de poropressões
Figura 6.31 – Curva de compressibilidade dos rejeitos depositados na barragem
Figura 6.32 – Lançamento dos rejeitos por tubo PEAD de 28″
Figura 6.33 – Lançamento dos rejeitos por tubo de borracha de 10″
xi
Lista de Tabelas
Tabela 4.1 – Dados cadastrais dos instrumentos instalados no maciço da barragem
Tabela 4.2 – Dados dos instrumentos do maciço da Barragem
Tabela 5.1 – Análise semi-quantitativa da amostra do rejeito de Lama+Flotação
Tabela 5.2 – Análise semi-quantitativa da amostra do rejeito de
‘lama+flotação+magnetita’
Tabela 5.3 – Análise semi-quantitativa da amostra de rejeito de magnetita
Tabela 5.4 – Densidade das partículas sólidas (Gs) para os rejeitos estudados
Tabela 5.5 – Densidade das partículas sólidas (Gs), teores de Fe e de Ba dos rejeitos
Tabela 5.6 – Frações granulométricas das amostras dos rejeitos
Tabela 5.7 – Parâmetros granulométricos dos rejeitos estudados
Tabela 5.8 – Índices de vazios máximos e mínimos para os rejeitos estudados e
respectivas massas específicas dos rejeitos secos
Tabela 5.9 – Valores médios dos coeficientes de condutividade hidráulica dos rejeitos
Tabela 6.1 – Declividades das diferentes seções da superfície de deposição dos rejeitos
(baias experimentais)
Tabela 6.2 – Declividades das diferentes seções da superfície de deposição dos rejeitos
(barragem em operação)
Tabela 6.3 – Resultados dos ensaios com as amostras dos rejeitos submersos
xii
Lista de Símbolos, Nomenclatura e Abreviações
ABNT − Associação Brasileira de Normas Técnicas
Gs – Densidade das partículas sólidas
LP – Limite de plasticidade
LL – Limite de liquidez
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
DRX – Difração de Raios-X
L+F – Lama+Flotação
L+F+M – Lama+Flotação+Magnetita
M – Magnetita
Fe – Ferro
Ba – Bário
e – Índice de vazios
emáx – Índice de vazios máximo
emín – Índice de vazios mínimo
LL – Limite de Liquidez
LP – Limite de Plasticidade
IP – Índice de Plasticidade
PEAD – Polietileno de Alta Densidade
γ - Densidade específica
γsmín – Densidade seca mínima
γsmáx – Densidade seca máxima
CODEMIG – Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais
CBMM – Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração
V – vertical
H – horizontal
OW – Indicador de nível de água
INA – Indicador de nível de água
xiii
PZF – Piezômetro instalado na fundação
PZ – Piezômetro instalado no aterro
GPS – Equipamento utilizado para medição de coordenadas de um ponto
σ − Tensões totais
σ’ – Tensões efetivas
Ψ – Teor de sólidos
UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto
NA – Nível de água
GCL – Geocomposto bentonítico
xiv
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1– CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................ 1
1.2 – OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO ......................................................................... 3
1.3 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO....................................................................... 4
CAPÍTULO
2
–
DISPOSIÇÃO
DE
REJEITOS
E
SISTEMAS
DE
IMPERMEABILIZAÇÃO
2.1 – INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 6
2.2 – MÉTODOS CONSTRUTIVOS DE BARRAGENS DE REJEITO ........................ 8
2.2.1 – Método de alteamento para montante ................................................................... 8
2.2.2 – Método de alteamento para jusante ...................................................................... 9
2.2.3 – Método de alteamento por linha de centro.......................................................... 11
2.3 – DISPOSIÇÃO DE REJEITOS POR ATERRO HIDRÁULICO ........................... 12
2.3.1 – Segregação Hidráulica ........................................................................................ 13
2.3.2 – Densidades dos Rejeitos ..................................................................................... 14
2.4 – SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO .......................................................... 15
2.4.1 – Geomembrana de polietileno de alta densidade – PEAD ................................... 16
2.4.2 – Geocompostos bentonítico .................................................................................. 17
2.4.3 – Mantas impregnadas com betume....................................................................... 18
CAPITULO 3 – MINERAÇÃO DE NIÓBIO EM ARAXÁ/MG
3.1 – INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 21
3.2 – GEOLOGIA REGIONAL ..................................................................................... 25
3.3 – GEOLOGIA LOCAL ............................................................................................ 29
3.4 – LAVRA E BENEFICIAMENTO MINERAL ....................................................... 32
xv
CAPÍTULO 4 – SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS DA MINA DE
NIÓBIO
4.1 – INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 39
4.2 – SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS DA MINA DE NIÓBIO .............. 41
4.3 – GEOLOGIA LOCAL DA ÁREA DA BARRAGEM ........................................... 42
4.4 – FASES DE ALTEAMENTO DO MACIÇO DA BARRAGEM........................... 45
4.5 – SISTEMA DE IMPERMEABILIZAÇÃO DO RESERVATÓRIO ...................... 47
4.6 – SISTEMA DE MONITORAMENTO DA BARRAGEM ..................................... 50
4.7 – SISTEMA DE TRANSPORTE E DISPOSIÇÃO DOS REJEITOS ..................... 53
4.8 – SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ÁGUA ....................................................... 55
4.9 – CONDIÇÕES ATUAIS DE OPERAÇÃO DA BARRAGEM.............................. 56
CAPITULO 5 - CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA DOS REJEITOS
5.1 – INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 59
5.2 – AMOSTRAGEM DOS REJEITOS ....................................................................... 60
5.3 – ENSAIOS DE LABORATÓRIO........................................................................... 62
5.4 – CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA DOS REJEITOS.................................. 62
5.4.1 – Caracterização Química e Mineralógica dos Rejeitos ........................................ 62
5.4.2 – Densidade das Partículas Sólidas ........................................................................ 69
5.4.3 – Distribuição Granulométrica dos Rejeitos .......................................................... 70
5.4.4 – Limites de Consistência ...................................................................................... 72
5.4.5 – Índices de Vazios Máximos e Mínimos .............................................................. 72
5.4.6 – Adensamento oedométrico ................................................................................. 73
5.4.7 –Permeabilidade sob carga constante .................................................................... 76
CAPÍTULO 6 – AVALIAÇÃO DO MODELO DEPOSICIONAL DOS REJEITOS
EM CAMPO
6.1 – INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 78
6.2 – CONSTRUÇÃO E ENCHIMENTO DAS BAIAS EXPERIMENTAIS ............... 79
xvi
6.3 – CONTROLE DAS MASSAS ESPECÍFICAS DOS REJEITOS .......................... 82
6.3.1 – Avaliação da Massa Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Curtas ..... 82
6.3.2 – Avaliação da Massas Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Longas ... 87
6.3.3 – Avaliação da Massa Específica ao longo da Praia de Rejeitos da Barragem ..... 89
6.4 – CONTROLE DO ADENSAMENTO PELAS ESPESSURAS DE REJEITOS .... 90
6.5 – SEGREGAÇÃO HIDRÁULICA DOS REJEITOS ............................................... 93
6.5.1 – Processo de Segregação Hidráulica nas Baias Longas ....................................... 94
6.5.2 – Processo de Segregação Hidráulica na Barragem em Operação ........................ 95
6.6 – ANÁLISE DA DECLIVIDADE DAS PRAIAS DE REJEITOS .......................... 97
6.6.1 – Declividades das Praias de Rejeitos Formadas nas Baias Longas ...................... 98
6.6.2 – Declividades das Praias de Rejeitos Formadas na Barragem em Operação ....... 99
6.7 – COMPRESSIBILIDADE DOS REJEITOS SUBMERSOS................................ 101
6.8 – INFLUÊNCIA DO SISTEMA DE DISPOSIÇÃO NA BARRAGEM ............... 106
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS
7.1 – CONCLUSÕES ................................................................................................... 108
7.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................... 112
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 113
xvii
CAPÍTULO
1
INTRODUÇÃO
1.1– CONSIDERAÇÕES INICIAIS
As atividades de mineração têm produzido uma quantidade considerável de rejeitos,
materiais inerentes ao processo de beneficiamento do minério, que necessitam de um
local adequado e projetado para sua disposição. Os volumes de rejeitos gerados estão
associados à natureza e ao teor do mineral presente na natureza e às crescentes
demandas de exploração e comercialização.
Com as crescentes exigências ambientais nos processos de licenciamento e a redução de
áreas disponíveis para a disposição, torna-se necessário o aprimoramento das condições
de desempenho e otimização das estruturas em operação. Segundo Martin et al. (2002),
todas as estruturas de disposição de rejeitos devem ser operadas por completo e com
manutenções periódicas que garantam sua segurança. Além disso, a integridade física e
ambiental deve ser mantida sempre, inclusive após o seu fechamento.
Diante deste contexto e no sentido de reduzir as alterações decorrentes do processo de
exploração mineral, os profissionais que trabalham com projetos, implantação e
operação de sistemas de disposição de rejeitos têm buscado novas metodologias de
construção de barragens ou de disposição do rejeito, visando ao maior aproveitamento
das estruturas em operação. Com isso, os próprios rejeitos têm sido empregados na
construção dos maciços, utilizados como fundação dos diques de contenção e mesmo
espessados ou filtrados para maximizar a capacidade dos reservatórios. As metodologias
alternativas de construção dos maciços visam reduzir os custos de implantação e a
exploração de áreas de empréstimo.
1
A preocupação de se obter um aproveitamento máximo da capacidade de estocagem das
estruturas existentes tem conduzido estudos para entender melhor o comportamento do
rejeito durante seu processo de deposição no reservatório, pelas técnicas de aterro
hidráulico. Segundo Ribeiro (2000), o entendimento da deposição hidráulica resulta
num maior conhecimento do comportamento da formação destes aterros do ponto de
vista geotécnico, podendo-se, assim, ser efetuado um controle melhor da qualidade do
processo de construção, mesmo considerando a influência complexa das inúmeras
variáveis que interferem nos processos de descarga e de lançamento de rejeitos em
polpa no reservatório de uma estrutura de contenção final, particularmente em termos
das vazões de descarga e teor de sólidos presentes.
O processo de deposição do rejeito no reservatório está dividido em três estágios, que
são: floculação, sedimentação e adensamento (Figura 1.1), que ocorrem de forma
sequencial ou simultânea (Imai, 1981); os dois primeiros estágios são mais rápidos que
o terceiro, principalmente para os materiais de granulometria fina. Segundo Pereira
(2006), os rejeitos em que a fração de silte e areia são predominantes, as reduções de
volume ocorrem de forma muito rápida, com uma tendência da fase de sedimentação
prevalecer sobre a fase do adensamento. Uma técnica adequada de investigar a interação
entre estes diferentes processos físicos para um dado sistema de disposição de rejeitos é
por meio da modelação física em campo (baias experimentais).
Figura 1.1 – Estágios de deposição do rejeito em reservatórios (Imai, 1981)
2
A crescente demanda de produção de nióbio e consequentemente a elevação da geração
de rejeitos oriundos do processo de concentração do mineral, fazem com que seja
necessário um melhor entendimento do comportamento destes materiais, quando
lançados no reservatório de uma barragem.
1.2 – OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO
A proposta deste trabalho consiste no diagnóstico e avaliação das condições
operacionais do atual sistema de disposição de rejeitos de nióbio, gerados no processo
de beneficiamento da planta localizada em Araxá/MG. O sistema em operação é
constituído
por
uma
barragem
de
terra,
denominada
‘Barragem
6’,
com
aproximadamente 4,5 milhões de m³ de aterro e um reservatório impermeabilizado com
capacidade final de armazenamento de cerca de 31,5 milhões de m³ de rejeitos.
Neste processo, são gerados basicamente três tipos de rejeitos: magnetita, lama e rejeito
da flotação. Apesar do processo de concentração gerar três rejeitos distintos, o presente
estudo abordou condições de rejeitos conjugados, analisando-se a hipótese de um
sistema de disposição, compreendendo misturas diversas dos três rejeitos, ou seja,
disposição
da
mistura
‘lama+flotação’
(ou
L+F),
disposição
da
mistura
‘lama+flotação+magnetita’ (ou L+F+M) e disposição isolada dos rejeitos de magnetita
(M), visando aferir a possibilidade de otimização da capacidade de armazenamento do
sistema existente ou de suas potenciais readaptações futuras.
Os estudos foram desenvolvidos por via experimental, por meio da simulação dos
modelos de disposição dos rejeitos, através de baias experimentais, de modo a
caracterizar a influência destes processos sob condições controladas de fronteira, bem
como sondagem piezométrica efetuada no reservatório da barragem de rejeitos em
operação, visando obter as leis constitutivas de adensamento e de permeabilidade dos
resíduos.
Neste propósito, foram construídas baias experimentais para monitoramento e controle
do lançamento, disposição e segregação hidráulica destes materiais, através do depósito
3
e ao longo do tempo. Os procedimentos de monitoramento incluíram controle de
densidades, medições das alturas dos depósitos formados, levantamento topográfico da
praia formada e caracterização granulométrica dos materiais em diferentes seções das
baias experimentais. Os estudos foram complementados por uma ampla campanha de
ensaios de laboratório, incluindo a caracterização tecnológica e a determinação das
principais propriedades físicas e químicas dos rejeitos estudados.
1.3 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho é dividido em sete capítulos, de acordo com a estruturação dos temas
analisados:
•
Capítulo 1: Neste capítulo apresenta-se a proposta de trabalho, destacando-se as
considerações iniciais do estudo, os objetivos previstos e a própria estrutura da
dissertação;
•
Capítulo 2: é apresentada uma revisão sobre as metodologias construtivas das
barragens de rejeito (tipos de alteamento), sistemas de impermeabilização
(polietileno de alta densidade, geocomposto bentonítico e geomembrana
betuminosa), disposição de rejeito por aterro hidráulico, o processo de segregação
hidráulica e variação da densidade ao longo da praia de deposição;
•
Capítulo 3: é apresentada a localização da mina de nióbio e da planta de
beneficiamento, juntamente com as características gerais do empreendimento e uma
breve descrição das principais aplicações do produto. Além disso, é descrita a
formação geológica regional e local, as características gerais da mina e é
apresentada uma breve descrição do processo de concentração do minério, o qual é
gerador dos rejeitos estudados nesta dissertação;
•
Capítulo 4: expõe-se a sistemática de produção de minério e de geração dos rejeitos
provenientes do beneficiamento de nióbio produzidos em Araxá/MG, bem como as
4
metodologias de disposição, atualmente utilizadas no âmbito do empreendimento;
para o sistema de disposição do rejeito estudado, são detalhadas as técnicas de
disposição e as principais características da estrutura em operação, incluindo-se a
descrição geral das condições atuais e a avaliação geral do sistema;
•
Capítulo 5: descreve a metodologia adotada para a coleta de amostras dos rejeitos
de nióbio (‘lama+flotação’, ‘lama+flotação+magnetita’ e magnetita) e são
apresentados os principais resultados dos ensaios de caracterização tecnológica,
realizados com os rejeitos de nióbio (caracterização química e mineralógica, análise
granulométrica, densidade das partículas sólidas, índices de vazios, limites de
consistência, adensamento convencional e permeabilidade de carga variável);
•
Capítulo 6: inclui a abordagem das técnicas de simulação física da disposição dos
rejeitos por meio de baias experimentais e mediante investigações geotécnicas na
própria barragem em operação; no capítulo, são descritas as metodologias
construtivas das baias experimentais, apresentados os resultados dos ensaios
realizados para a caracterização dos parâmetros de massa específica dos rejeitos,
segregação hidráulica, adensamento, declividade das praias de deposição,
compressibilidade dos rejeitos submersos e influência do sistema de disposição;
•
Capítulo 7: reúne as principais conclusões provenientes das análises e avaliações
realizadas durante o desenvolvimento desta dissertação, incluindo-se também
algumas recomendações para pesquisas futuras e/ou complementares.
5
CAPÍTULO
2
DISPOSIÇÃO DE REJEITOS E SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO
2.1 – INTRODUÇÃO
Rejeitos são partículas sólidas oriundas da concentração de minérios, as quais não
possuem valor econômico ou mesmo tecnologia disponível para seu beneficiamento.
Estes materiais podem exibir características mineralógicas, geotécnicas e físicoquímicas variáveis, dependendo do processo de beneficiamento e do tipo de minério que
os originam (Abrão, 1987).
No Brasil, a maior parte dos rejeitos é descartada das Unidades de Concentração na
forma de polpa (sólido + água), uma mistura de água e sólidos, e armazenados por uma
barragem ou dique. Estes materiais apresentam basicamente três tipos de
comportamento: líquido sobrenadante, com tendência à floculação das partículas de
menor tamanho; rejeito em processo de sedimentação apresentando comportamento
semilíquido a semiviscoso; e rejeito em processo de adensamento comportando-se como
um material particulado.
As barragens de rejeitos são construídas, em alguns casos, com a utilização do próprio
rejeito, com um dique de partida normalmente construído em solo compactado. Os
principais métodos construtivos empregados são: Método de Alteamento para
Montante, Método de Alteamento para Jusante e Método de Alteamento por Linha de
Centro. Dentre estas alternativas, o alteamento para montante tende a ser o mais
econômico sendo, no entanto, o mais susceptível a problemas de controle de qualidade e
de segurança. Os principais fatores a serem analisados para a escolha do método
construtivo mais adequado são: a natureza do processo de mineração, as condições
geológicas e topográficas da região, as propriedades mecânicas dos materiais e a
6
composição química do rejeito. Segundo Vick (1983), existem casos que as
características químicas dos rejeitos podem ser determinantes na definição as melhores
formas de disposição.
A construção das barragens de rejeito é geralmente realizada em várias etapas, sendo
que a primeira consiste na construção do dique de partida, o qual é constituído de solo
ou enrocamento compactado. As demais etapas correspondem à operação contínua da
estrutura, as quais acontecem em conjunto com as atividades de mineração, por meio de
alteamentos consecutivos executados com solos compactados ou com a fração grossa
dos rejeitos gerados. Os alteamentos devem ocorrer de forma a disponibilizar
capacidade de armazenamento no reservatório e para evitar que o lago se aproxime da
barragem e venha a causar a elevação da linha freática e uma possível instabilidade do
maciço.
Os sistemas de disposição de rejeito devem ser projetados para resíduos classificados
como: inertes, não inertes e perigosos, de acordo com a norma NBR 10004 (ABNT,
2004). No projeto de disposição dos resíduos que se enquadram nas duas últimas
classificações, é necessária a utilização de sistemas de impermeabilização. Dentre as
alternativas comumente adotadas para camadas de proteção, destacam-se as camadas de
argila compactada e a utilização de geossintéticos, como geomembranas e/ou
geocompostos.
No lançamento dos rejeitos em barragens, o processo convencionalmente adotado é a
técnica de disposição em aterros hidráulicos, com os rejeitos sob a forma de polpa. O
grande problema da adoção da disposição por aterro hidráulico é a ocorrência da
segregação, fenômeno que se trata de uma seleção de grãos em função do tamanho, da
forma e da densidade das partículas. O fluxo de polpa faz com que as partículas se
depositem gradualmente ao longo de sua trajetória, provocando uma variabilidade
estrutural de forma a alterar, significativamente, as características de deposição do
material. Por isso, o conhecimento do comportamento da segregação do rejeito é
fundamental para a avaliação da possibilidade de otimização da capacidade de
estocagem do reservatório.
7
2.2 – MÉTODOS CONSTRUTIVOS DE BARRAGENS DE REJEITO
A forma mais comum de contenção de rejeitos em polpa é a de lançamento direto em
vales fechados ou interceptados por maciços de terra, construídos por diferentes
técnicas de alteamento. Os procedimentos de construção dos aterros são os mesmos
adotados para estruturas com finalidade de acumulação de água.
2.2.1 – Método de alteamento para montante
O método de alteamento para montante (Figura 2.1) consiste na tecnologia mais antiga e
simples para a construção de barragens, sendo considerado como uma evolução natural
do processo empírico de disposição de rejeitos. A primeira etapa deste método é a
construção de um dique de partida, normalmente construído de solo ou enrocamento
compactado. Após o final desta fase, o rejeito é lançado por espigotes ou hidrociclones
a partir da crista do dique, formando uma praia de deposição próxima do aterro, a qual
será utilizada como fundação para a próxima etapa de construção. Os alteamentos
subsequentes ocorrem sempre que necessário, seguindo a mesma metodologia, até a
altura final prevista em projeto.
Figura 2.1 – Alteamento para montante (Gomes, 2006)
As principais vantagens do método de montante são o baixo custo de construção,
pequena quantidade de material para a construção dos diques (redução de áreas de
empréstimo) e a velocidade de execução do alteamento. Segundo Klohn (1981), a
8
ciclonagem do rejeito acelera a velocidade de construção do dique e mostra que a
formação de uma praia entre a crista e o reservatório é importante e vantajosa. A
formação de uma praia de lama (rejeitos finos) entre o lago e o talude de montante é um
requisito adicional de segurança operacional para as estruturas, pois abate a linha
freática, reduzindo a percolação e os riscos de piping (Chammas, 1989).
A desvantagem relacionada à adoção do método de montante consiste no fato de que os
alteamentos utilizam os próprios rejeitos como fundação, e estes materiais por terem
sido depositados em curto intervalo de tempo, ainda não estão consolidados. Neste
sentido, em condição saturada e estado de compacidade fofo, estes rejeitos tendem a
possuir baixa resistência ao cisalhamento e susceptibilidade à liquefação quando
submetidos a carregamentos estáticos e dinâmicos. Além disso, a dificuldade de
construir um sistema de drenagem interna para controlar o fluxo de água através do
maciço é um problema adicional, com reflexos diretos na estabilidade e riscos de
ocorrência de piping no talude de jusante (Gomes, 2006).
Na adoção do método de montante, é essencial que se faça um controle construtivo e
operacional da disposição dos rejeitos, com monitoramentos constantes das
características dos materiais depositados logo a montante dos diques de contenção, bem
como das poropressões geradas no interior do maciço de rejeitos.
2.2.2 – Método de alteamento para jusante
O método de alteamento para jusante representa um desenvolvimento relativamente
recente, como alternativa ao procedimento anterior. Esta metodologia surgiu em virtude
de alguns tipos de rejeitos não possuírem características geotécnicas adequadas para
serem utilizados como fundação. Este processo exige grandes volumes de solo, pois os
alteamentos são executados para a jusante, e também consideráveis áreas para a
implantação do maciço.
Atualmente, podem ser encontradas duas metodologias de construção para o alteamento
de jusante. Na primeira, é construído um dique de partida com a etapa inicial da
9
drenagem interna (dreno vertical e horizontal) e, em cada alteamento subsequente, é
dada a continuidade da drenagem vertical e horizontal (Figura 2.2). A metodologia
alternativa é aquela em que a drenagem interna horizontal é construída na primeira
etapa da obra e nos alteamentos subsequentes, dando-se continuidade apenas no filtro
vertical (Figura 2.3).
Figura 2.2 – Alteamento para a jusante (Gomes, 2006)
Figura 2.3 – Alteamento para a jusante com preparação da fundação na 1ª etapa
Segundo Klohn (1981), as principais vantagens dos maciços alteados para a jusante são
que não possuem restrições de altura e que suas estruturas são totalmente independentes
dos rejeitos. Outro benefício associado ao método de jusante é a possibilidade de
redução significativa das dimensões do vertedor de cheias, com a criação da bacia de
amortecimento no interior do reservatório (Gomes, 2006).
10
Em se tratando de desvantagem, esta metodologia apresenta elevados custos de
implantação e necessita de grandes áreas de empréstimo para a construção do maciço.
Além disso, exige um amplo espaço a jusante para que as etapas seguintes possam ser
executadas, sem que a drenagem interna seja prejudicada.
2.2.3 – Método de alteamento por linha de centro
A construção de barragens de rejeito pelo método de linha de centro (Figura 2.4)
constitui essencialmente uma variação do método para a jusante. Esta metodologia
consiste basicamente em um alteamento contínuo, no qual a posição do eixo original é
mantida invariável até o final da obra.
Figura 2.4 – Alteamento por linha de centro (Gomes, 2006)
Na construção deste tipo de barramento, a parte de montante do aterro é apoiada sobre o
rejeito e o talude de jusante tem como fundação, o alteamento anterior e o terreno
natural. As vantagens do método alteamento por linha de centro são a possibilidade de
redução do volume de material de empréstimo necessário para a construção do aterro e
também a construção do sistema de drenagem interna em todas as etapas da obra.
Por outro lado, nesta metodologia é necessária a formação da praia de rejeitos próxima
ao aterro, pois esta afasta o lago do barramento e, assim, torna-se possível controlar a
superfície freática no maciço. Como parte do aterro está construída sobre o rejeito, um
eventual aumento do nível de água poderia causar uma alteração nas condições de
acomodação do rejeito e então, deformações no talude de montante da barragem.
11
2.3 – DISPOSIÇÃO DE REJEITOS POR ATERRO HIDRÁULICO
Aterros hidráulicos são depósitos formados através da hidromecanização, a qual é
definida como o conjunto de procedimentos que envolvem o transporte e a disposição
de um solo com o auxílio de água (Cruz, 1996). Segundo Silva (2010), no século XVII,
os holandeses já aplicavam a técnica, através da utilização de dispositivos de
hidromecanização rudimentares, com o objetivo de remover os sedimentos de portos e
canais e ainda, recuperar áreas abaixo do nível do mar. Além disso, entre os anos 40 e
70, na antiga União Soviética, estruturas para fins hidroelétricos foram construídas
através de procedimentos de aterro hidráulico.
Os aterros hidráulicos podem ser utilizados para a construção de estruturas como
barragens para acumulação de água, ilhas artificiais e barragens de rejeito, devido às
vantagens econômicas e a praticidade de execução. Dentre estas vantagens, podem ser
citadas: alta taxa de construção (mais de 200.000 m³/dia), possibilidade de implantação
em ambiente submerso, simplicidade dos mecanismos utilizados, menos trabalho
humano e baixo custo unitário (Grishin, 1982). Potenciais desvantagens referem-se às
maiores exigências em relação ao solo utilizado no aterro, cuidados especiais nos casos
em que a polpa é transportada em tubulações com fluxo pressurizado e maior
necessidade de inspeções e manutenções nos dispositivos de transporte, pois estes estão
sujeitos ao desgaste devido à abrasão dos materiais.
Nos reservatórios de acumulação, o modelo deposicional do rejeito é considerado como
um aterro hidráulico, pois a polpa (fração sólida + água) é lançada no reservatório e as
partículas vão sedimentando ao longo da praia, à medida que a energia do fluxo de água
não consegue mais arrastar os grãos. Para avaliar a qualidade destes aterros, é
necessário identificar os parâmetros relevantes do processo de deposição hidráulica,
com o intuito de identificar as variações que ocorrem ao longo da praia em função do
fluxo da polpa. Diante isso, é possível identificar os principais parâmetros associados ao
processo de formação dos aterros hidráulicos que são: segregação hidráulica e
densidade.
12
O escoamento e a infiltração de água ao longo do depósito de materiais acumulados,
forma a chamada ‘praia de rejeitos’, na qual a geometria e as características estão
diretamente relacionadas às variáveis da deposição e à dinâmica bastante complexa do
processo de fluxo.
2.3.1 – Segregação Hidráulica
A segregação hidráulica é um fenômeno comum e importante que ocorre nos aterros
hidráulicos e trata-se da tendência da fração sólida ou parte dela sedimentar, em função
do tamanho, da forma, da densidade das partículas sólidas e das condições do fluxo. À
medida que a polpa percorre a praia, as partículas sólidas sedimentam em diferentes
locais, gerando assim uma grande diversidade estrutural, fato que provoca uma
alteração significativa das características geotécnicas do aterro. Portanto, o
entendimento da segregação hidráulica é de suma importância para avaliar as condições
de ocupação de um reservatório.
Segundo Moretti & Cruz (1996), o rejeito ao escoar ao longo da praia de deposição,
perde velocidade e, consequentemente, também a sua capacidade de arraste, limitando
então, um transporte hidráulico associado diretamente às frações granulométricas dos
resíduos lançados. Geralmente, as frações mais grossas do rejeito tendem a depositar-se
próximo ao ponto de lançamento e as mais finas nas regiões mais distantes. No entanto,
pode-se observar que para alguns tipos de rejeito, existe a deposição de partículas finas
próximas ao ponto de lançamento, fato que está diretamente relacionado com a
composição mineralógica dos grãos.
Nos estudos realizados por Santos (2004) com rejeitos de ferro, a segregação hidráulica
é condicionada pela densidade e pelo tamanho das partículas. Este fenômeno interfere
nas características geotécnicas do aterro, principalmente na condutividade hidráulica, a
qual tende a se apresentar mais baixa próxima aos pontos de lançamento, aumentando
em uma zona intermediária e tornando-se a reduzir nos pontos mais distantes do
lançamento.
13
A segregação hidráulica nem sempre ocorre e depósitos que armazenam materiais com
esta característica, ou seja, não segregáveis, formam praias mais íngremes, com
granulometria constante e densidades relativamente baixas. Por outro lado, os
reservatórios de polpas que segregam tendem a ser mais suaves, com densidades
maiores e distribuição granulométrica média, variando com a distância do ponto de
lançamento (Espósito, 2000).
Neste sentido, verifica-se que uma grande variabilidade granulométrica do reservatório
pode ser gerada devido às condições de deposição e do próprio rejeito. Estes depósitos
podem apresentar, portanto, grande diversidade das características geotécnicas em
função principalmente das diferenças de densidade, granulometria e composição
química e mineralógica dos rejeitos.
2.3.2 – Densidades dos Rejeitos
Existem diversas variáveis que devem ser consideradas para avaliar a ocupação do
reservatório de uma barragem de rejeitos; no entanto, a principal é a densidade do
material depositado. A obtenção de uma densidade elevada é essencial para uma
otimização da capacidade de estocagem de materiais em uma bacia de contenção de
rejeitos.
A densidade é uma medida indireta da estrutura dos solos e, consequentemente, dos
parâmetros geotécnicos, sendo imprescindível ter um procedimento adequado para
projetar a disposição de modo a maximizar o valor da densidade. Reservatórios de
barragens de rejeito e depósitos de material dragado, apresentando densidades elevadas,
significam um ganho em sua capacidade de armazenamento e consequentemente, em
sua vida útil (Ribeiro, 2000).
Em aterros convencionais, a densidade pode ser estimada já na fase de projetos, por
meio de ensaios de compactação realizados em laboratório. Este dado permite a escolha
da melhor metodologia construtiva para o empreendimento, de forma a manter as
premissas de projeto. No caso dos aterros hidráulicos, mesmo conhecendo as
14
características iniciais do material utilizado, as variáveis do processo de deposição
(segregação hidráulica e perda de finos) fazem com que o aterro se comporte de maneira
bastante diferente. O solo apresenta alterações estruturais provocadas pelas diferentes
velocidades de fluxo e taxa de transporte de sedimentos, variáveis praticamente
impossíveis de serem determinadas em laboratórios convencionais de Mecânica dos
Solos. Visando aprimorar este conhecimento, estudos realizados têm-se baseado na
simulação do processo de deposição hidráulica em laboratórios ou em modelos
reduzidos, mediante a adoção de condições similares às existentes nas barragens.
2.4 – SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO
Dispositivos de impermeabilização são utilizados em obras de engenharia para diversas
aplicações, como por exemplo, impedir a passagem de umidade, vapor, conter água e
diferentes efluentes, e evitar o contato de rejeitos ou resíduos das mais variadas origens
com o solo ou água subterrânea. As impermeabilizações são adotadas em várias
situações e em diversos tipos de obras ou estruturas, tais como: aterros de resíduos
domésticos e industriais, revestimento de túneis, reservatórios de contenção e de
tratamento de resíduos industriais, canais de adução e irrigação, bases encapsuladas de
estradas e depósitos subterrâneos.
Usualmente, as barreiras de impermeabilização têm sido implantadas com diversos tipos
de matérias, como camadas de argila compactada, concreto, mantas impregnadas com
diversas substâncias (exemplo betume impregnado a um geotêxtil), geocompostos
argilosos (GCL), geomembranas de polietileno de alta densidade (PEAD) e polivinil
clorado (PVC). Cada uma das diferentes opções apresenta vantagens e desvantagens,
em detrimento de uma série de requisitos necessários em determinada aplicação. Na
escolha do tipo de impermeabilização é importante conhecer as características de
resistência e durabilidade frente às solicitações de natureza química, física e mecânica;
disponibilidade do material; facilidade e custo de implantação.
Em seguida, serão apresentadas as características gerais das geomembranas de PEAD,
dos geocompostos bentoníticos e mantas impregnadas com betume, bem como as
15
principais vantagens e desvantagens para cada um destes tipos de sistema de
impermeabilização.
2.4.1 – Geomembrana de polietileno de alta densidade – PEAD
As geomembranas de PEAD (Figura 2.5) consistem em mantas poliméricas flexíveis
que apresentam permeabilidades extremamente baixas (da ordem de 10-12 cm/s) e que
são utilizadas como barreiras para líquidos e vapores. São fabricadas industrialmente,
normalmente em forma de bobinas, que são transportadas até a obra, onde são lançadas
e soldadas por meio de termofusão (Bueno et al., 2004).
Figura 2.5 – Geomembrana de PEAD
As propriedades e o comportamento deste material apresentam variações em função da
resina e dos aditivos que eventualmente as compõem. As geomembranas são
comumente fabricadas com larguras entre 5 e 10 metros, comprimentos de até 100
metros e espessuras entre 1,0 e 2,5 milímetros.
As principais vantagens deste tipo de geomembrana são a excelente resistência a
produtos químicos e ataques biológicos, alta resistência aos raios solares, baixa
incrustação, atóxica, alta resistência ao impacto e à tração, e boa resistência mecânica.
Por outro lado, as desvantagens são a formação de rugas, necessidade de criteriosa
conformação ao terreno para sua aplicação e possibilidade de formação de trincas sob
tensão.
16
2.4.2 – Geocompostos bentonítico
Os geocompostos bentoníticos (Figura 2.6) são comumente conhecidos com GCL
(geosynthetic clay liners) e consistem basicamente em um produto industrializado à
base de bentonita natural, sódica ou cálcica, o qual é formado por uma fina camada de
argila expansiva disposta entre dois geotêxteis ou colada a uma geomembrana
(Lukiantchki, 2007). De forma geral e quando corretamente instalados, são materiais
que apresentam baixa permeabilidade (entre 10-10 e 10-8 cm/s), coeficiente diretamente
influenciado pelas tensões confinantes.
São manufaturados com dimensões da ordem de 5 metros de largura, por 50 metros de
comprimento e espessuras da ordem de um centímetro, sendo a fração de bentonita com
umidade entre 5 e 20% e massa de 5 kg/m² (Bueno et al., 2004). Uma característica
bastante importante destes produtos é a sua capacidade de autocicatrização, em função
da elevada capacidade de expansão da bentonita. A união entre elementos é realizada
apenas pela sobreposição de mantas adjacentes.
Figura 2.6 – Geocomposto bentonítico
Segundo Vilar (2003), os geocompostos bentoníticos podem ser classificados em dois
diferentes tipos, que são os reforçados e não reforçados. No caso dos elementos
reforçados, as camadas externas dos geossintéticos são mecanicamente unidas,
17
utilizando-se costuras ou agulhamento, enquanto nos não reforçados são utilizados
adesivos. A Figura 2.7 ilustra os diferentes tipos de geocompostos bentoníticos.
Figura 2.7 – Tipos de geocomposto bentonítico (Vilar, 2003)
As principais vantagens deste sistema são a rápida instalação, baixo custo, baixa
permeabilidade quando corretamente instalados, alta capacidade de suporte de
recalques, excelentes características de auto-cicatrização e facilidade de execução de
reparos. No entanto, suas principais desvantagens são a possibilidade de perda da
bentonita durante a instalação, permeabilidade a gases nos casos de bentonitas
levemente úmidas, aumento da permeabilidade devido a compressibilidade do GCL sob
tensões de compressão e incompatibilidade com certos efluentes.
2.4.3 – Mantas impregnadas com betume
As mantas impregnadas com betume ou simplesmente geomembranas betuminosas
(Figura 2.8) são constituídas por misturas de hidrocarbonetos de alto peso molecular,
obtidos de depósitos naturais ou pelo beneficiamento do petróleo. Elas apresentam um
comportamento visco-elástico, ou seja, sua deformação não é somente influenciada pela
carga aplicada, mas também pela duração e temperatura (Colmanetti, 2006). Sua
permeabilidade, assim como os outros dispositivos de impermeabilização apresentados,
é extremamente baixa e da ordem de 10-11 cm/s.
18
Figura 2.8 – Geomembrana betuminosa
A instalação deste tipo de material requer uma preparação prévia do terreno, com a
remoção de pedras e vegetação, seguida do lançamento da manta e com sobreposição de
20 centímetros para a realização da soldadura. A solda é realizada pela fusão do betume
das duas mantas, seguida da compressão do material mole com um rolo metálico. É
imprescindível que ocorra uma sobra de betume na parte externa da solda (Figura 2.9).
Figura 2.9 – Solda da geomembrana betuminosa
19
A geomembrana betuminosa é fabricada em rolos de 5 metros de largura, com até 90
metros de comprimento e espessura variando de 3,5 a 5,6 milímetros. Este produto é
constituído por 5 camadas de materiais, sendo estas de: areia, betume, geotêxtil não
tecido, lã de vidro e filme anti-raiz (Figura 2.10).
Figura 2.10 – Camadas de formação da geomembrana betuminosa
Este tipo de impermeabilização apresenta elevada resistência mecânica, possibilidade de
instalação em baixas temperaturas, facilidade de aderência em estruturas de concreto,
boa resistência química e biológica, excelentes características de auto-cicatrização e
resistência à penetração de raízes. Por outro lado, este material apresenta elevada
densidade, necessitando de equipamentos mecânicos durante a instalação e uma boa
preparação do terreno antes de sua aplicação.
20
CAPÍTULO
3
MINERAÇÃO DE NIÓBIO EM ARAXÁ/MG
3.1 – INTRODUÇÃO
O nióbio é um metal de alto ponto de fusão (2.468º C) do grupo dos metais ditos
refratários, que se destaca pelas seguintes características: densidade pouco superior à do
ferro, elevada resistência ao ataque por certos ácidos e metais líquidos, baixa resistência
à oxidação e supercondutividade a temperaturas inferiores a 270º C (negativos).
O Brasil detém quase a totalidade das reservas mundiais de nióbio e as principais
ocorrências em operação são: em Araxá (MG), Catalão (GO), Ouvidor (GO) e
Presidente Figueiredo (AM). Em Minas Gerais, é onde está localizada a maior reserva
em exploração do mundo, a qual é operada pela Companhia Brasileira de Metalurgia e
Mineração (CBMM). Em Goiás, o minério de nióbio é explorado pela empresa Anglo
American, enquanto a exploração da columbita da mina de Pitinga, no município de
Presidente Figueiredo (AM), está a cargo da Mineração Taboca, empresa do grupo
peruano Minsur. Além das minas em operação no país, o nióbio também é produzido
em Saint Honoré, no Canadá e em outros pequenos locais de menor expressão.
Em Minas Gerais, a primeira referência à análise qualitativa do nióbio foi em 10 de
março de 1953 e poucas semanas depois, a equipe do Professor Djalma Guimarães
caracterizou no material coletado o pirocloro, mineral portador do nióbio (CBMM,
2003). Já em 1955, foi fundada a CBMM, a qual, até hoje, opera em consórcio com a
Companhia de Desenvolvimento Econômico de Minas Gerais (CODEMIG) a
exploração deste recurso mineral. A atividade de mineração e beneficiamento está
localizada a apenas 8 km do município de Araxá (MG) e cerca de 370 km de Belo
Horizonte (Figura 3.1).
21
Figura 3.1 – Localização do complexo de nióbio em Araxá/MG
A lavra do nióbio (Figura 3.2) desenvolve-se em uma cava dividida em Mina 1 e Mina
2, a primeira de propriedade da CODEMIG e a segunda da própria CBMM, sendo a
delimitação estabelecida pelas correspondentes marcações dos decretos de lavra. A
extração do minério é feita a céu aberto, em conformidade com os Decretos de Lavra
59.979 e 58.403, respectivamente, com uma reserva estimada de 438 milhões de
toneladas.
Figura 3.2 – Vista por satélite da região do complexo de nióbio
22
O nióbio produzido em Araxá responde por 80% de toda a produção mundial, sendo a
sua produção anual de aproximadamente 70 mil toneladas da liga de ferronióbio. Além
desse produto, na unidade industrial também é fabricado o pentóxido de nióbio, as ligas
grau vácuo e o nióbio metálico.
O nióbio possui elasticidade e flexibilidade que o tornam moldável, é anti-corrosivo e
resiste aos ácidos mais agressivos. Mesmo submetido a elevadas temperaturas, possui
alta resistência à combustão e, sob baixas temperaturas, torna-se supercondutor. Os
principais produtos de nióbio produzidos em Araxá são o ferronióbio (Figura 3.3), o
pentóxido de nióbio, as ligas grau vácuo e o nióbio metálico.
Figura 3.3 – Ferronióbio (liga metálica de ferro e nióbio)
A liga ferronióbio, obtida através da aluminotermia, é o produto final mais
comercializado da cadeia do nióbio, sendo destinado à produção de alguns aços
especiais, principalmente os micro ligados e os inoxidáveis. Nos aços microligados,
mesmo com um reduzido consumo específico (cerca de 400g de FeNb/t de aço), o
nióbio confere ao produto características de resistência mecânica, tenacidade,
conformabilidade e soldabilidade. Já para os inoxidáveis, seu valor está em neutralizar o
23
efeito de carbono e nitrogênio, afastando risco de deterioração do produto por corrosão
(Andrade, 2000).
Atualmente, as principais aplicações do nióbio são em: gasodutos, oleodutos,
automóveis, trilhos de trem, chapas para cascos de navios, estruturas metálicas para
construção
civil,
torres
de transmissão
de energia,
plataformas
marítimas,
supercondutores de equipamentos de ressonância, aceleradores de partículas existentes
em grandes centros de pesquisa, lentes de ópticas e outros.
Além da mina e da unidade de Concentração, que serão detalhadas a seguir, o complexo
industrial da CBMM em Araxá é composto pelas unidades de sinterização,
desfosforação, ligas especiais, metalúrgica, óxidos, nióbio metálico, britagem e
expedição (Figura 3.4). O processo de beneficiamento do minério inclui todas as etapas
necessárias para a obtenção do concentrado de pirocloro, composto constituído por mais
de 60% de Nb2O5.
Figura 3.4 – Vista aérea do complexo industrial da CBMM, em Araxá/MG
24
O processo de concentração é constituído pelas etapas de britagem, moagem, separação
magnética, deslamagem e flotação. Em seguida, o concentrado é enviado para o
espessador e casa de filtros, sendo desaguado e estocado em “bags”. Conforme as
demandas, o concentrado é transportado por caminhões até às outras unidades
industriais para a produção de materiais gerados à base de pirocloro.
Os rejeitos gerados no processo de beneficiamento do minério são provenientes das
etapas de separação magnética, deslamagem e flotação. O primeiro rejeito gerado no
processo é a magnetita, removida do minério por meio de separadores magnéticos. Na
deslamagem, materiais com granulometria ultrafina são removidos por ciclones. No
final do processo de concentração, o minério passa pelas células de flotação, com nova
fase de geração de rejeitos e concentração do minério de Nb2O5 para 60%.
Após cada etapa de beneficiamento, os rejeitos são encaminhados para a barragem de
contenção, seja por bombeamento (como é o caso da magnetita atualmente), ou por
gravidade, como ocorre com a lama e os rejeitos da flotação. Até 2005, os rejeitos
gerados pelo processo de concentração de nióbio eram dispostos em barragens não
impermeabilizadas, com maciços de terra alteados para a jusante, com lançamento do
rejeito a partir da crista. A partir de 2006, entretanto, teve início a operação da atual
barragem que conta com dispositivos de impermeabilização compostos por membranas
sintéticas, alteamento para a jusante e disposição em pontos distintos, visando otimizar
a ocupação do reservatório.
3.2 – GEOLOGIA REGIONAL
A região em que se encontra a mina de nióbio faz parte do setor meridional da Faixa de
Dobramentos Brasília (Almeida, 1967), edificada no bordo oeste do Cráton do São
Francisco e que se estende por mais de 1.000 km na direção norte/sul, através dos
estados de Minas Gerais, Goiás, Tocantins e pelo Distrito Federal. A porção interna
desta faixa está, em sua grande parte, ocupada por rochas dos Grupos Araxá e Serra da
Mesa, com características de cinturões interiores neoproterozóicos.
25
Sob o ponto de vista tectônico, a região de Araxá está estruturada em uma dobra
sinformal regional denominada Sinforma de Araxá (Figura 3.5). Esta estrutura regional
tem seus flancos principais nos setores nordeste e sudoeste e sua linha de charneira
apresenta direção aproximada N70W, com caimento suave para NW. Em seu flanco sul,
está localizada a Zona de Cisalhamento da Bocaina que consiste em um sistema de
falhas transcorrentes sinistrais (Seer, 1999).
Figura 3.5 – Mapa Geológico da Sinforma de Araxá (Seer, 1999)
Segundo Seer (1999), a tectonoestratigrafia da região compreende três escamas
tectônicas alóctones, separadas por zonas de cisalhamento que configuram falhas de
empurrão (Figura 3.6). Na escama inferior, ocorrem as litologias do Grupo Canastra
que, por sua vez, cavalga o Grupo Bambuí, que caracteriza uma cobertura cratônica
autóctone situada a leste da área estudada. A escama tectônica intermediária reúne as
litologias do Grupo Ibiá. Empurrada sobre esta ocorre a escama tectônica superior que é
constituída pelas rochas do Grupo Araxá.
26
Figura 3.6 – Tectonoestratigrafia do Sinforma de Araxá (Seer, 1999)
O Grupo Canastra é constituído por um conjunto de metassedimentos detríticos, em
grande parte carbonosos e com faces carbonatadas; seus contatos com as demais
unidades geológicas da região são tectônicos, através de zonas de cisalhamento. Estes
metassedimentos são constituídos por ortoquartzitos, quartzitos micáceos, filitos
27
sericíticos, filitos carbonosos, grafita xistos, cloritóide-grafita xistos, granada-grafita
xistos e subordinadamente, por metamargas e cloritaxistos com foliação bem
desenvolvida.
A partir da Serra da Bocaina, no sentido sul, o topo estratigráfico passa a conter
quartzitos muito finos com intercalações de filitos sericíticos e carbonosos, passando a
filitos carbonosos que gradam para grafita xistos e cloritóide-grafita xistos finos. Por
fim, ocorrem granada-cloritóide-grafita xistos mais grosseiros. Todas as litologias
descritas contêm horizontes de quartzitos finos e micáceos subordinados, configurando
sequências rítmicas.
O Grupo Ibiá compreende um conjunto de metassedimentos detríticos metamorfisados
que se distribuem a sudoeste, sul, sudeste, leste, nordeste e norte da cidade de Araxá.
Seus contatos, tanto com o Grupo Canastra como com o Grupo Araxá, são tectônicos,
através de zonas de cisalhamento. Seus litotipos principais são calcifilitos, quartzofilitos, filitos e quartzitos micáceos com foliação bem desenvolvida, sendo comum a
presença de veios de quartzo e carbonato paralelizados à foliação principal.
O Grupo Araxá está inserido na zona mais interna da Sinforma de Araxá e ao longo do
Rio Araguari. Seus contatos, assim como os demais grupos, são tectônicos, através de
zonas de cisalhamento. Esta unidade está representada por um conjunto metaígneo
máfico/ultramáfico – metassedimentar, intrudido por corpos de granitóides ricos em
pegmatitos.
Os metassedimentos compõem a base da escama tectônica do Grupo Araxá, incluindo
micaxistos, quartzo-mica xistos, quartzitos, quartzitos micáceos, quartzitos granatíferos,
granada mica xistos, granada mica xistos feldspáticos, mica xistos feldspáticos e
cloritóide-granada mica xistos. No interior da Sinforma de Araxá, ocorrem rochas
metamáficas constituídas por clorita xistos, clorita-anfibólio xistos e anfibolitos. Os
anfibolitos ocorrem sempre na forma de lentes, com espessuras variando desde métricas
até poucas dezenas de metros, circundadas por clorita e clorita-anfibólio xistos de
coloração verde (Figura 3.7).
28
Figura 3.7 – Afloramento de anfibolitos no Grupo Araxá (Seer, 1999)
3.3 – GEOLOGIA LOCAL
A reserva mineral de nióbio está localizada no complexo alcalino-carbonatítico de
Araxá e, junto com os complexos de Tapira, Salitre e Serra Negra (Figura 3.8), integra
um conjunto de complexos carbonatíticos e kimberlíticos (Biondi, 2003). A formação
geológica do complexo possui forma circular, com cerca de 5 km de diâmetro e está
encaixada por quartzitos e xistos proterozóicos do Grupo Ibiá (Figura 3.9).
Figura 3.8 – Localização dos complexos alcalino-carbonatíticos
29
Figura 3.9 – Formação geológica do complexo alcalino-carbonatítico de Araxá (Grossi
Sad & Torres, 1976)
O núcleo do complexo contém beforsitos e glimeritos, com sovitos subordinados. É
envolto por um anel de glimeritos que está em contato com os quartzitos e xistos
fenitizados. Na porção central do complexo, afloram beforsistos e glimeritos, com
sovitos subordinados. Este núcleo carbonatítico é envolvido por glimeritos, com
beforsitos subordinados, que fazem o anel mais externo de rochas carbonatíticas (Silva,
1986). As rochas alcalinas são totalmente envolvidas por um largo anel de quartzitos e
micaxistos fenitizados (Figura 3.10).
30
Figura 3.10 – Complexo Alcalino-Carbonatítico de Araxá (Silva, 1986)
Segundo Issa Filho et al. (1984), a estrutura de Araxá é típica de um complexo erodido
composto pelas seguintes fases: (i) intrusão de rochas ultrabásicas duníticas e
peridotíticas em meio à supracrustrais (Figura 3.11a); (ii) intrusão do magma
carbonatítico e início do metassomatismo das rochas ultrabásicas, gerando glimeritos e
fenitizando as rochas encaixantes (Figura 3.11b); (iii) glimeritização completa das
rochas ultrabásicas e a fenitização das encaixantes, gerando núcleos de silexitos em
meio aos quartzitos fenitizados (Figura 3.11c); (iv) erosão e intemperismo das rochas
alcalinas, gerando um manto de intemperismo no qual ocorreu o enriquecimento
residual de minerais resistentes (Figura 3.11d).
31
Figura 3.11 – Fases do complexo carbonatítico de Araxá (Issa Filho et al., 1984)
Os minérios supergênicos e residuais totalizam 414 Mt de minério com 3,3% de P2O5 e
438 Mt de minério com 2,5% de Nb2O5. Atualmente, o minério lavrado na mina é
essencialmente laterítico. Superficialmente, tem-se uma crosta laterítica ferruginosa,
com presença de limonita/goethita e magnetita, que concentra pirocloro e apatita.
Abaixo desta crosta, ocorre o principal corpo mineralizado, que se trata de um regolito,
formado pela alteração e lixiviação do carbonatito e que concentra bário-pirocloro
(pandaita), apatita e monazita.
3.4 – LAVRA E BENEFICIAMENTO MINERAL
A mina de nióbio de Araxá (Figura 3.12) constitui o maior pólo minerador de nióbio do
mundo, onde anualmente são movimentadas cerca de 5 milhões toneladas de minério.
As reservas do minério (presente tanto no manto intemperizado quanto na rocha sã) são
de aproximadamente 438 milhões de toneladas com uma espessura de até 250 metros e
teores médios de 2,5 a 3,0% de Nb2O5. Na rocha sã, o nióbio está presente em
concentração média de 1,5% de Nb2O5, podendo chegar até 8%, sendo que testemunhos
de sondagens, extraídos a 800 metros de profundidade, indicaram a presença de
pirocloro, mineral no qual é extraído o nióbio.
32
Figura 3.12 – Vista aérea da mina de nióbio da CBMM em Araxá/MG
Nas operações de lavra atuais (Figura 3.13), o minério é extraído da mina por meio de
escavadeiras hidráulicas e transportado por caminhões de até 40 toneladas até as pilhas
de estoque, local onde se deposita o material em concentrações diferentes, procedendose à homogeneização com equipamentos de terraplanagem. Após esta atividade, ocorre
a retomada do material por meio de equipamentos de terraplanagem e a descarga no
ponto de alimentação, que direciona o minério para a unidade de concentração por meio
de uma correia transportadora de 3,5 km (Figura 3.14).
Figura 3.13 – Operações de lavra da mina de nióbio
33
Figura 3.14 – Correia que transporta o minério da mina até à unidade de concentração
O minério transportado é acondicionado em silos e submetido ao beneficiamento do
nióbio em uma unidade industrial denominada Unidade de Concentração (Figura 3.15),
que tem uma capacidade anual de produção de aproximadamente 175 mil toneladas de
concentrado.
Figura 3.15 – Silos de estocagem de minério e Unidade de Concentração
34
No processo, o minério é submetido às seguintes etapas de beneficiamento: britagem,
moagem, separação magnética, deslamagem e flotação. A Figura 3.16 apresenta o
fluxograma simplificado de processo da unidade de concentração do complexo da
mineração de nióbio da CBMM em Araxá/MG.
Figura 3.16 – Fluxograma do processo de concentração do nióbio
35
Após transporte ao longo de 3,5 km por correia, o minério é passado em um britador de
rolos dentados (Figura 3.17a), para destorroamento do material ou mesmo quebra de
alguns pequenos blocos de rocha. Em seguida, o material segue para os moinhos de
bolas (Figura 3.17b), onde as partículas sólidas são reduzidas a diâmetros inferiores a
0,104 mm, permitindo assim a liberação dos cristais de pirocloro.
Figura 3.17 – Concentração: (a) Britador de rolos dentados; (b) Moinho de bolas
Dos moinhos de bolas, o minério recebe a adição de água de recirculação e o material,
em forma de polpa, passa pelo separador magnético (Figura 3.18), sendo a magnetita
removida do minério pelos rolos magnetizados. A magnetita removida é encaminhada
por bombeamento para a barragem de contenção de rejeitos.
Figura 3.18 – Concentração: (a) Separadores magnéticos; (b) Saída da magnetita
36
Na sequência do processo de beneficiamento, ocorre a deslamagem, na qual o minério
passa por baterias de ciclones (Figura 3.19), nas quais as frações granulométricas
inferiores a 0,005 mm são removidas do minério e direcionadas para a barragem de
rejeitos por gravidade e através de um canal.
Figura 3.19 – Concentração: Etapas de deslamagem
A última etapa da concentração é constituída pela flotação (Figura 3.20), na qual as
partículas de pirocloro são expostas a reagentes químicos e coletadas em bolhas geradas
pela injeção de ar no fundo das células. As frações sólidas não incorporadas pelas
bolhas gasosas são removidas pela parte inferior das células, constituindo o terceiro tipo
de rejeito da planta industrial, que é também encaminhado por gravidade até a barragem
de contenção de rejeitos.
Figura 3.20 – Concentração: Etapa de flotação
37
Após o processo de beneficiamento industrial do minério, é produzido um concentrado
de pirocloro com um teor de aproximadamente 60% de Nb2O5. O rejeito gerado neste
processo é composto aproximadamente por 15% de magnetita, 15% de lama e 70% de
rejeito da flotação. Atualmente, devido às condições operacionais existentes na planta
de concentração, a lama e o rejeito da flotação são lançados na barragem juntamente por
meio de um mesmo canal e a magnetita é espigotada separadamente. No entanto,
quando são necessárias atividades de manutenção no sistema de bombeamento da
magnetita, é possível lançar juntamente os três rejeitos, através do canal que é utilizado
para conduzir a lama e o rejeito de flotação até a barragem.
A água utilizada no processo de concentração é proveniente da própria barragem de
rejeitos, ou seja, é água de recirculação. Durante o período de chuvas, o reservatório de
água na barragem aumenta consideravelmente e, para controlar este volume, a água é
bombeada até uma estação de tratamento, sendo tratada e em seguida lançada em um
pequeno
curso
de
água
que
corta
38
a
propriedade
do
empreendimento.
CAPÍTULO
4
SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS DA MINA DE NIÓBIO
4.1 – INTRODUÇÃO
A disposição dos rejeitos provenientes dos processos de beneficiamento de minério temse tornado um grande problema operacional, pois, em face das atividades crescentes da
mineração como agente do desenvolvimento econômico de um país, a geração de
rejeitos tem aumentado substancialmente, com a elevação consequente dos custos
envolvidos em seu armazenamento. Quanto maior o volume de rejeitos gerados,
maiores são as áreas necessárias para a sua disposição final e também as obras de
contenção (barragens). Além disso, em alguns casos, esta disposição pode acarretar
alterações no meio, a qual se dá em função das características do minério explorado ou
mesmo dos insumos utilizados nos processos de concentração.
No início das atividades minerárias do Brasil, os rejeitos gerados no processo de
concentração do minério eram lançados diretamente nos cursos de água e até mesmo
dispostos na superfície do terreno natural sem nenhuma preocupação com os impactos
resultantes. Com o aumento da conscientização da atividade mineral criteriosa e a
adoção de prescrições ambientais mais restritivas, foram criadas novas metodologias de
disposição e desenvolvidos programas específicos para um maior controle operacional
de sistemas de contenção de rejeitos.
Garga & Troncoso (1990) citam que, com o aumento do controle ambiental e a atuação
da opinião pública, torna-se necessária a elaboração de projetos de disposição de rejeito,
não apenas para o estágio de operação da mina, mas incluindo também a fase final de
descomissionamento. Sendo assim, uma estrutura para contenção de rejeitos deve
satisfazer aos requisitos de segurança, controle de contaminação, capacidade de
39
armazenamento e economia, conforme as prescrições da norma NBR 13.028 (ABNT,
2006) e leis ambientais vigentes.
A disposição dos rejeitos oriundos das atividades de mineração pode ser realizada em
cavidades subterrâneas, em ambientes subaquáticos, cavas exauridas e, principalmente,
na superfície dos terrenos, conformando estruturas na forma de barragens e/ou pilhas
(Gomes, 2006). Estes resíduos podem ser dispostos na forma de massas (rejeitos
filtrados), pasta (rejeitos em pasta) ou de polpa.
Em geral, os rejeitos são convencionalmente dispostos sob a forma de polpa,
principalmente porque esta condição do resíduo constitui o subproduto natural das
atividades de concentração dos minérios, sempre associadas a grandes demandas de
água. Neste caso, o transporte dos rejeitos é feito comumente por gravidade, através de
canais ou por tubulações (‘rejeitodutos’) e a disposição final dos rejeitos em polpa
ocorre pelas técnicas de aterro hidráulico. A disposição de rejeitos filtrados em unidades
industriais é feita sob a forma de pilhas (ou maciços compactados por equipamentos
convencionais de terraplanagem), mediante o transporte dos resíduos até os locais
específicos, por meio de correias transportadoras ou caminhões.
A disposição dos rejeitos em espaços subterrâneos ocorre normalmente em cavidades
previamente lavradas, particularmente com rejeitos na forma de pasta, aditivados com
produtos para melhorar as suas propriedades geotécnicas. Esta metodologia de
disposição apresenta vantagens como a redução de passivos ambientais e dos riscos de
subsidências e/ou queda de blocos e a exclusão e/ou redução da necessidade de áreas
para implantação de sistemas de disposição em superfície.
A disposição subaquática é aquela na qual o rejeito, em forma de polpa, é lançando por
meio de tubulações no fundo de corpos de água receptores, tais como mares, lagos ou
reservatórios específicos. Esta técnica é restrita a rejeitos mais arenosos e a proposição
é interessante em regiões com elevadas precipitações ou no caso de resíduos de
minérios sulfetados (Gomes, 2006).
40
Na superfície dos terrenos, os rejeitos podem ser dispostos em forma de pilhas, em
reservatórios contidos por diques laterais (ponds) ou em barragens. A escolha adequada
da metodologia a ser utilizada está diretamente ligada às condições climáticas, ao relevo
da região e ao processo de beneficiamento industrial adotado no projeto.
4.2 – SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS DA MINA DE NIÓBIO
O atual sistema de disposição de rejeitos do processo de beneficiamento da planta de
nióbio da CBMM em Araxá/MG é constituído por uma barragem de terra, denominada
‘Barragem 6’ (Figura 4.1), com aproximadamente 4,5 milhões de m³ de aterro e um
reservatório impermeabilizado com capacidade final de armazenamento de cerca de
31,5 milhões de m³ de rejeitos.
Figura 4.1 – Vista aérea da Barragem 6 (CBMM – Araxá/MG)
Inicialmente, esta barragem foi projetada para promover a clarificação da água
proveniente do lançamento de rejeitos na ‘Barragem 5’, situada a montante (Figura 4.2).
Entretanto, em função da aproximação do final da vida útil da Barragem 5, optou-se por
proceder ao licenciamento da Barragem 6 como sistema de disposição final de todos os
rejeitos oriundos da unidade de concentração da planta industrial de nióbio da CBMM,
em Araxá/MG.
41
Com base nos levantamentos topográficos locais e no arranjo final do projeto, foi obtida
a curva ‘cota x volume’ para o barramento (Figura 4.3), limitando-se o lançamento de
rejeitos até a cota 1098,00 m, para uma borda livre final de 2m.
Figura 4.2 – Vista área das Barragens de Rejeito de Nióbio nº 5 e 6, no ano de 2002
Figura 4.3 – Curva ‘cota x volume’ para a Barragem 6 (Morgado, 2009)
4.3 – GEOLOGIA LOCAL DA ÁREA DA BARRAGEM
Na região da fundação da Barragem 6, a cobertura superficial é constituída por solos
residuais maduros e jovens, que localmente podem atingir espessuras da ordem de
dezenas de metros. A Figura 4.4 apresenta uma seção do perfil de intemperismo do solo
da ombreira esquerda da Barragem 6, no sentido longitudinal ao maciço.
42
Figura 4.4 – Seção longitudinal ao eixo do maciço – ombreira esquerda da Barragem 6 (Cordeiro, 2001a)
43
O fundo do vale apresenta-se como local de acumulação de materiais de diversas
origens, provenientes principalmente de processos de sedimentação fluvial ou de
movimentos coletivos de solo e rocha oriundos das encostas adjacentes. O substrato
rochoso é constituído por micaxistos intercalados a metabasitos, de início muito a
medianamente alterados, tornando-se gradualmente sãos a maiores profundidades.
O solo residual maduro é constituído principalmente por um silte pouco argiloso,
micáceo, variegado (vermelho escuro a arroxeado, com manchas claras), com
fragmentos de quartzo e concreções limoníticas. Este solo é pouco coesivo, poroso, com
baixa capacidade de suporte e facilmente escavado. Possui permeabilidade de média a
alta (10-4 a 10-3 cm/s), influenciada por cavidades de origem animal e vegetal.
O solo residual jovem apresenta características da rocha matriz e reflete o processo de
intemperismo gradualmente crescente com a profundidade. Apresenta coloração
variada, geralmente amarelada ou acinzentada, granulometria também heterogênea, com
presença de areias siltosas, com abundância de mica. Este solo possui pouca ou
nenhuma plasticidade, resistência crescente com a profundidade e contém núcleos de
material rochoso. A permeabilidade nesta camada é da ordem de 10-4 a 10-5 cm/s .
O horizonte de transição entre os maciços de solo e de rocha, composto de solo residual
jovem entremeado a porções de rocha, geralmente em estágio avançado de alteração, é
chamado de saprolito. Sua espessura é irregular, podendo estar ausente em alguns
locais; apresenta elevada resistência mecânica e permeabilidade entre 10-4 e 10-5 cm/s.
O maciço rochoso alterado compõe-se de xisto, parcialmente friável, com presença de
diversas fraturas, em sequências de lascas pouco espessas a fissuras sub-horizontais
com paredes muito oxidadas. Este material apresenta características geomecânicas
crescentes com a profundidade e permeabilidades bastante erráticas. A rocha sã é
formada por xisto são, há pouco alterado, ocasionalmente cortado por finas camadas
intemperizadas de solos ou rochas muito alteradas, normalmente correspondentes às
fraturas de alívio. Esta camada apresenta elevada resistência mecânica e permeabilidade
também errática, às vezes muito elevada, com perdas de água totais.
44
A caracterização geotécnica acima foi feita a partir de uma campanha de investigação
geotécnica local, baseada na execução de sondagens mistas, sondagens a percussão e na
abertura de poços e trincheiras. Os valores das condutividades hidráulicas dos materiais
locais foram obtidos a partir da realização de ensaios de infiltração de água e de perda
de água sob pressão (Cordeiro, 2001b).
4.4 – FASES DE ALTEAMENTO DO MACIÇO DA BARRAGEM
A barragem foi projetada como uma estrutura convencional construída com solo
compactado, sendo utilizado como material de construção, o estéril proveniente do
decapeamento da mina (Figura 4.5). O sistema de drenagem interna é composto por
filtro vertical construído com areia, filtro horizontal sanduíche nas ombreiras e tapete
drenante também, tipo sanduíche, no trecho de baixada.
Figura 4.5 – Obras para construção da Barragem 6
O alteamento da Barragem 6 foi projetado para ser executado para jusante de forma a
incorporar o aterro da barragem já existente. A crista da antiga barragem encontrava-se
na cota 1046,00m e, para ser atingida a cota final de projeto, foram previstos, então,
quatro alteamentos (Cordeiro, 2001b), correspondentes às Elevações 1060,00 m,
1072,00 m, 1085,00 m e 1100,00 m, respectivamente (Figura 4.6).
45
Figura 4.6 – Seção transversal da Barragem 6 e etapas de alteamento (Cordeiro, 2001b)
46
Após o término das obras de alteamento, o maciço da barragem deverá possuir uma
crista com largura de 12 m na elevação 1100,00 m, talude de montante com inclinação
de 1,2:1 (H:V), intercalado por bermas com 6 m de largura e talude de jusante com
inclinação de 2,5:1 (H:V), intercalado com bermas de 3,5 m de largura.
4.5 – SISTEMA DE IMPERMEABILIZAÇÃO DO RESERVATÓRIO
O reservatório da barragem possui capacidade de armazenamento de aproximadamente
31,5 milhões de m³. Atualmente, o reservatório contém 11 milhões de m³ de rejeito
depositado, com um incremento anual da ordem de 2,5 milhões de m³. O sistema de
impermeabilização adotado é constituído por uma geomembrana de PEAD (polietileno
de alta densidade) com 1,5 mm de espessura e permeabilidade da ordem de 10-12 cm/s.
Na região do fundo do vale e sobre as drenagens, a geomembrana é instalada sobre uma
camada de argila compactada com 60 cm de espessura (Figura 4.7).
Figura 4.7 – Sistema de impermeabilização da Barragem 6 (Cordeiro, 2001b)
As principais vantagens na utilização da membrana de PEAD são: facilidades de solda,
boa resistência mecânica, baixa resistência ao atrito no caso de membranas lisas e boa
resistência a diversos resíduos químicos.
47
Para a instalação da geomembrana, a superfície do terreno deve ser regularizada (Figura
4.8) de forma a remover toda a matéria orgânica do solo e também os fragmentos de
rocha que porventura possam causar danos ao revestimento. Esta limpeza pode ser
mecanizada, ou até mesmo manual, dependendo do volume de material a ser removido.
Nos locais em que o terreno apresenta características mais agressivas à membrana, é
colocada uma manta de geotêxtil com a finalidade de proteger a geomembrana. Outro
aspecto relevante é que a geomembrana deve apresentar elevada resistência mecânica e
química em relação aos rejeitos armazenados.
Figura 4.8 – Instalação de geomembrana de PEAD
A instalação da geomembrana é feita mediante a abertura dos rolos de PEAD sobre o
terreno preparado, um trespasse de 10 centímetros entre mantas e conformação da
emenda por termofusão, através de linha dupla de solda (Figura 4.9a). Após a realização
da solda, a estanqueidade é verificada por meio de ensaio de pressurização do espaço
vazio, formado entre as duas linhas de solda (Figura 4.9b).
Figura 4.9 – Detalhe da solda da geomembrana de PEAD
48
O sistema de drenagem sob a geomembrana foi implantado para coletar as águas de
nascentes existentes na bacia e também da saída do tapete drenagem de outra barragem
de rejeitos, construída na década de 80, situada à montante. Este sistema foi projetado
com tubos de PEAD (Figura 4.7) para encaminhamento das águas para jusante da
barragem sem contato com a água da barragem em operação.
Um segundo sistema de drenagem foi inserido sobre o sistema de impermeabilização,
tendo por finalidade promover o adensamento dos rejeitos depositados no reservatório.
No fundo dos vales foram instaladas redes de tubos de PEAD perfurados, envoltos por
brita e geotêxtil, com as extremidades abertas para a atmosfera. Assim, a água existente
na polpa tende a ser direcionada por gravidade para estes tubos, sendo, então, filtrada
pelo sistema de drenagem e encaminhada para jusante da barragem, promovendo assim,
o adensamento do material.
Para evitar a implantação de dutos não passíveis de inspeção ao longo do aterro, este
sistema de drenagem foi alocado em uma galeria em concreto armado, transversal ao
maciço (Figura 4.10), para fins de inspeção e manutenções periódicas ao sistema. Esta
estrutura possui 320 metros de comprimento, tendo uma seção interna livre de
aproximadamente 4 m² dotada de sistema de ventilação artificial.
Figura 4.10 – Galeria de concreto transversal ao maciço da barragem
49
4.6 – SISTEMA DE MONITORAMENTO DA BARRAGEM
O sistema de monitoramento, originalmente proposto, consistia essencialmente no
controle dos níveis de percolação pelo aterro e a avaliação das condições de drenagem
da barragem. Entretanto, após o início de operação da barragem, o plano de
instrumentação previsto no projeto executivo foi revisado. As alterações propostas
foram possíveis pelo fato do maciço ser construído em etapas e porque apenas uma
pequena quantidade dos instrumentos já tinha sido instalada. A instrumentação revisada
da Barragem 6, composta por indicadores de nível de água e piezômetros Casagrande
(Dfconsultoria, 2008), está indicada na Figura 4.11.
Figura 4.11 – Instrumentos instalados no maciço da Barragem 6 (Dfconsultoria, 2008)
50
Os instrumentos designados com as siglas OW e PZF foram mantidos do projeto
original, elaborado por Cordeiro (2001b). A instrumentação instalada (Figura 4.12)
compõe-se dos seguintes medidores:
•
Instrumentação da barragem: 11 indicadores de NA, posicionados ao longo de um
eixo transversal central e dois eixos próximos às ombreiras do maciço;
•
Instrumentação da galeria: 4 indicadores de nível de água e 4 piezômetros
adjacentes, posicionados paralelamente ao eixo da galeria de concreto existente sob
o maciço da barragem; este conjunto objetiva estabelecer um perfil de níveis de
água e de eventuais pressões mobilizadas ao longo da galeria, a montante e a jusante
do filtro vertical.
Figura 4.12 – Vista dos instrumentos de monitoramento
A instrumentação do maciço foi executada por meio de sondagens a percussão, o que
possibilitou, além da instalação do instrumento em si, também a avaliação indireta dos
parâmetros de resistência do aterro. A Figura 4.13 apresenta o esquema geral dos
indicadores de nível de água e dos piezômetros instalados no maciço. Os dados relativos
às cotas inferiores (de fundo) e as profundidades dos instrumentos (indicados na Figura
4.11) estão apresentados na Tabela 4.1. A barragem dispõe ainda de um medidor de
vazão triangular na saída do sistema de drenagem interna e de níveis topográficos para o
controle contínuo do nível de água do reservatório.
51
Figura 4.13 – Esquema dos piezômetros e medidores de NA (medidas em metros)
instalados na barragem (Dfconsultoria, 2008)
Tabela 4.1 – Dados cadastrais dos instrumentos instalados no maciço da barragem
Cota
Instrumento
inferior
(m)
Cota
Profundidade
Instrumento
(m)
inferior
(m)
Profundidade
(m)
INA-05
1.033,10
53,74
INA-15
1.012,20
32,41
INA-06
1.023,60
56,93
INA-16
1.024,50
60,98
INA-07
1.043,90
6,48
INA-17
1.028,00
65,97
INA-08
1.020,60
67,60
INA-18
1.017,70
56,02
INA-09
1.011,40
67,05
INA-19
1.016,50
63,73
INA-10
1.012,40
60,84
PZ-01
1.026,80
58,18
INA-11
1.013,10
51,40
PZ-02
1.031,40
55,10
INA-12
1.010,80
20,06
PZ-03
1.021,30
64,37
INA-13
1.032,70
53,12
PZ-04
1.018,80
63,69
INA-14
1.029,40
55,80
52
4.7 – SISTEMA DE TRANSPORTE E DISPOSIÇÃO DOS REJEITOS
O sistema de transporte de rejeitos, desde a sua saída da unidade de concentração até a
Barragem 6, compõe-se de duas linhas: a lama e os rejeitos da flotação são conduzidas
por gravidade através de tubos de PEAD de 28 polegadas, enquanto a magnetita é
bombeada em tubos de 6 polegadas, revestidos de poliuretano para minimizar desgastes
por abrasão.
No caso da necessidade de manutenção na linha de transporte da magnetita, esta é
transportada por gravidade, juntamente com a lama e a flotação. Esta operação é
realizada somente em casos excepcionais, uma vez que a vida útil dos tubos de PEAD é
muito afetada pela ação abrasiva da magnetita.
No início da operação da barragem, o lançamento dos rejeitos da lama e flotação era
feito por meio de mangotes de borracha com diâmetro de 10 polegadas, colocados sobre
cavaletes de madeira (Figura 4.14). Com a elevação do depósito de rejeitos, novos
cavaletes eram construídos, ficando os antigos enterrados nos rejeitos. O sistema atual
consiste no lançamento direto dos rejeitos no reservatório por meio da tubulação de 28
polegadas (Figura 4.15).
Figura 4.14 – Processo original do lançamento dos rejeitos de lama e flotação
53
Figura 4.15 – Processo atual do lançamento dos rejeitos de lama e flotação
Os rejeitos de magnetita foram sempre dispostos na barragem por bombeamento,
através de mangotes de borracha de 6 polegadas (Figura 4.16). Estes rejeitos são
dispostos principalmente a montante do reservatório, no entanto, quando é necessário
bloquear ou direcionar os rejeitos de lama+flotação para algum ponto reservatório, os
rejeitos de magnetita são utilizados para a construção de diques internos para
direcionamento ou confinamento dos mesmos.
Figura 4.16 – Processo do lançamento dos rejeitos de magnetita na barragem
54
4.8 – SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ÁGUA
Além do rejeito depositado, o reservatório armazena um volume de água, o qual é
composto por água de recirculação e proveniente das chuvas. Um volume mínimo é
mantido no decorrer da operação da barragem, pois esta água é utilizada nos processos
de beneficiamento industrial. Ao final da capacidade da barragem, esta água é
bombeada para a nova estrutura.
Atualmente, aproximadamente 92% da água utilizada na unidade industrial é
recirculada, ou seja, apenas 8% constitui efetivamente água nova no processo. A
captação de água na barragem de rejeitos é feita por meio de uma balsa, que tem
capacidade de bombeamento de aproximadamente 4.000 m³/h. Esta pode enviar água,
tanto para as unidades industriais, como para a Estação de Tratamento de Efluentes
(Figura 4.17), para tratamento e posterior descarga ao curso de água que atravessa o
empreendimento (Figura 4.18).
Figura 4.17 – Estação de tratamento de efluentes
55
Figura 4.18 – Gerenciamento de águas
4.9 – CONDIÇÕES ATUAIS DE OPERAÇÃO DA BARRAGEM
A barragem em operação, com capacidade nominal para 31,5 milhões de m³, encontrase atualmente com 11,5 milhões de m³ de rejeitos depositados e 700 mil m³ de água de
recirculação no processo industrial.
Anualmente, visando atender às condicionantes estabelecidas pelas Deliberações
Normativas nº 62 (COPAM, 2002) e nº 87 (COPAM, 2005), esta estrutura é auditada
por um profissional qualificado e autônomo. Nestas auditorias, o auditor faz inspeção de
campo, com o intuito de avaliar visualmente as condições do maciço e ainda coleta
dados de instrumentação que foram medidos durante o ano e parâmetros geotécnicos,
para então analisar as condições de estabilidade dos taludes de montante e jusante.
Em 2011, as atividades de alteamento da barragem e do sistema de impermeabilização
ocorreram até a cota 1085,00 m. Para esta elevação e com base na curva ‘cota-volume’
da barragem (Figura 4.3) e nos volumes depositados, constata-se que se tem atualmente
56
um volume útil de aproximadamente 7 milhões de m³, considerando um volume de água
de 700 mil m³. A expectativa é que as obras de alteamento e de impermeabilização
sejam concluídas nos próximos dois anos, com a barragem atingindo a sua capacidade
total de armazenamento.
O sistema de monitoramento do maciço é feito sistematicamente por meio de leituras
mensais dos indicadores de nível de água e dos piezômetros, além de medições
semanais das vazões de fluxo oriundas do sistema drenagem interna da barragem. A
Tabela 4.2 apresenta as leituras obtidas, em outubro de 2011, dos instrumentos
instalados, na qual quase todos não indicaram quaisquer colunas de água.
Tabela 4.2 – Dados dos instrumentos do maciço da Barragem (CBMM, 2011b)
Instrumento
Profundidade (m)
Leitura (m)
INA-05
53,74
seco
INA-06
56,93
0,91
INA-07
6,48
seco
INA-08
67,60
seco
INA-09
67,05
seco
INA-10
60,84
seco
INA-11
51,40
seco
INA-12
20,06
seco
INA-13
53,12
seco
INA-14
55,80
seco
INA-15
32,41
5,47
INA-16
60,98
seco
INA-17
65,97
2,57
INA-18
56,02
seco
INA-19
63,73
seco
PZ-01
58,18
seco
PZ-02
55,10
seco
PZ-03
64,37
0,96
PZ-04
63,69
seco
57
Atualmente, o sistema de disposição dos rejeitos na barragem é realizado apenas através
dos tubos de 28 polegadas para os rejeitos de lama e flotação e por bombeamento no
caso dos rejeitos de magnetita. O sistema de recirculação de água por meio de balsa
flutuante tem-se mostrado satisfatório, requerendo, no entanto, movimentação anual, de
modo a garantir livre acesso a ela, por meio da passarela de ligação com as margens do
reservatório.
De modo geral, a estrutura tem mostrado um comportamento geotécnico muito bom,
tanto em termos de estabilidade como em termos de impermeabilização do reservatório,
com as águas efluentes dos drenos das nascentes não apresentando quaisquer alterações
dos níveis de qualidade.
Um possível ponto para estudos adicionais refere-se ao projeto dos drenos superiores,
localizados sobre a geomembrana e destinados a promover o adensamento dos rejeitos
depositados. Para as condições dos rejeitos finos da barragem em questão, a adoção de
adequadas transições granulométricas e/ou de geotêxteis específicos para os rejeitos em
questão (por meio de estudos das interfaces rejeitos-geotêxteis em ensaios de filtração
tipo GR, por exemplo) tornam-se essenciais para uma gestão criteriosa da barragem e
do sistema operacional como um todo.
58
CAPÍTULO
5
CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA DOS REJEITOS
5.1 – INTRODUÇÃO
Os rejeitos de mineração são materiais que apresentam suas características geotécnicas
naturais alteradas em função do processo de beneficiamento a que são submetidos. No
entanto, é possível caracterizá-los, de forma genérica, adotando-se princípios gerais,
convencionalmente aplicados para solos naturais, ou seja, utilizando-se conceitos e
metodologias clássicas da Mecânica dos Solos.
Neste contexto, o comportamento geotécnico do rejeito é de fundamental importância
para o entendimento do processo de sedimentação que ocorrerá no reservatório em que
o material será armazenado. Para tal avaliação, a caracterização tecnológica dos rejeitos
constitui abordagem fundamental, associada a uma ampla campanha de investigação das
características físicas e químicas dos materiais gerados no processo de concentração de
nióbio.
Conforme exposto previamente no Capítulo 3 desta dissertação, o processo de
concentração de nióbio da planta da CBMM, em Araxá, gera basicamente três tipos de
rejeitos: magnetita, lama e rejeito da flotação.
Apesar do processo de concentração gerar três rejeitos distintos, o presente estudo
abordou condições de rejeitos conjugados, analisando-se a hipótese de um sistema de
disposição, compreendendo misturas diversas dos três rejeitos, ou seja, disposição da
mistura ‘lama+flotação’ (ou L+F), disposição da mistura ‘lama+flotação+magnetita’
(ou L+F+M) e disposição isolada dos rejeitos de magnetita (M).
59
5.2 – AMOSTRAGEM DOS REJEITOS
A coleta de amostras representativas dos rejeitos para fins de caracterização física,
química e mecânica é, sem dúvida, uma das etapas mais importantes do estudo. É
fundamental amostrar, de maneira mais representativa possível, todo o material, uma
vez que tais cuidados garantirão a realidade e a consistência dos dados obtidos.
As amostras foram coletadas de forma programada ao longo de baias de deposição
(Figura 5.1), especialmente construídas para o escopo desta dissertação, cuja
metodologia construtiva está detalhada no item 6.2. A amostragem compreendeu a
coleta em três pontos equidistantes das praias formadas ao longo das baias, a partir de
espaçamentos de 4m (Figura 5.2) e por meio de amostras deformadas (Figura 5.3).
Figura 5.1 – Vista geral das baias experimentais de disposição dos rejeitos
Figura 5.2 – Pontos de amostragem nas baias experimentais
60
Figura 5.3 – Coleta de material para as análises laboratoriais
Após coleta em campo, procedeu-se à homogeneização do material e quarteamento das
amostras para a realização dos ensaios de laboratório que foram, então, devidamente
identificadas e acondicionadas (Figura 5.4). Estes procedimentos foram adotados para
cada tipo de rejeito estudado.
Figura 5.4 – Amostras para realização dos ensaios laboratoriais
61
5.3 – ENSAIOS DE LABORATÓRIO
As análises realizadas para a caracterização geotécnica dos rejeitos contemplaram
basicamente a determinação dos índices físicos, além de ensaios de adensamento e
permeabilidade dos materiais estudados. Os ensaios foram realizados nos laboratórios
de solos da empresa Chammas Engenharia de Belo Horizonte/MG, da empresa Arc
Engenharia e Tecnologia de Uberlândia/MG e da Universidade Federal de Ouro Preto
(Ouro Preto/MG), incluindo:
o
Caracterização química e mineralógica;
o
Densidade das partículas sólidas;
o
Análise granulométrica completa;
o
Limites de consistência;
o
Índice de vazios máximo e mínimo;
o
Adensamento oedométrico;
O
Permeabilidade sob carga constante.
5.4 – CARACTERIZAÇÃO TECNOLÓGICA DOS REJEITOS
5.4.1 – Caracterização Química e Mineralógica
Os rejeitos gerados em atividades de mineração têm suas características químicas e
mineralógicas diretamente ligadas ao minério explorado, às formações geológicas e
geoquímicas da mina e ao processo de beneficiamento em que são submetidos. Neste
sentido, torna-se imprescindível que todo estudo realizado com um determinado rejeito,
contemple este tipo de caracterização. Na planta industrial da CBMM localizada em
Araxá/MG, o minério residual é lavrado a partir do denominado Complexo
Carbonatítico do Barreiro, sendo a geologia local constituída basicamente por
flogopititos e carbonatitos, com veios e diques intercalados de apatitito, nelsonito e
magnetitito e apresentando ainda a presença de veios de barita (Torres & Gaspar,1995).
62
A caracterização química e mineralógica dos rejeitos estudados foi realizada por meio
de técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Difração de Raios-X
(DRX). Inicialmente, a partir das amostras homogeneizadas e quarteadas manualmente,
foram retiradas porções das mesmas para secagem em estufa a 130º C por 3 horas.
As amostras foram homogeneizadas novamente, sendo preparadas duas alíquotas de
cada. A primeira foi submetida à análise, via MEV, sendo o material espalhado sobre
uma fita de carbono, previamente colada sobre um ‘porta-amostras’ apropriado. A outra
alíquota foi analisada, via DRX, sendo a amostra pulverizada em gral de ágata até
atingir a granulometria desejada para, então, ser preparada sobre outro ‘porta-amostras’.
Para a análise, via MEV, procedeu-se à metalização das amostras, o que consistiu na
precipitação de uma película micrométrica de material condutor (carbono) sobre a
superfície das amostras, possibilitando a condução de corrente elétrica, permitindo-se,
assim, a realização da análise. O equipamento utilizado foi um Microscópio Eletrônico
de Varredura, modelo Stereoscam 200 da Cambridge (Figura 5.5). Foram realizadas
análises de área em várias regiões das amostras, utilizando uma sonda EDS (Energy
Dispersive X-Ray) acoplada ao MEV, o que possibilitou a determinação química semiquantitativa das amostras.
Figura 5.5 – Microscópio Eletrônico de Varredura utilizado nas análises
63
As análises DRX, por sua vez, foram realizadas utilizando-se equipamento Miniflex da
marca Rigaku, dotado de tubo de cobre (Figura 5.6). Os resultados das análises MEV e
DRX para as composições dos rejeitos estudados estão apresentados e discutidos a
seguir.
Figura 5.6 – Equipamento utilizado para a realização das análises DRX
A Figura 5.7 apresenta a micrografia obtida, via MEV, para o rejeito de ‘lama+flotação’
e nela é possível observar a heterogeneidade e os elementos constituintes da amostra.
No rodapé das imagens, são indicados, da esquerda para a direita, os valores da energia
emitida pelo canhão eletrônico, do grau de aproximação e da escala da imagem.
Figura 5.7 – Imagens e elementos químicos da amostra de rejeito (Lama+Flotação)
64
A Tabela 5.1 sistematiza os resultados semi-quantitativos obtidos na análise MEV para
a amostra de rejeito de ‘lama+flotação’.
Tabela 5.1 – Análise semi-quantitativa da amostra do rejeito de Lama+Flotação
ELEMENTO
Na
Al
Si
P
S
Ca
Ti
Mn
Fe
Nb
Ba
TEOR (%)
0,3 + 0,05
0,8 + 0,19
1,2 + 0,45
2,1 + 0,10
7,5 + 0,76
0,1 + 0,03
8,3 + 0,37
1,2 + 0,11
59,5 + 2,03
0,5 + 0,25
18,5 + 1,74
Por meio do difratograma da análise DRX do rejeito de ‘lama+flotação’(Figura 5.8), foi
possível detectar a presença das seguintes fases: uma fase de Óxido de Silício (SiO2),
uma fase de óxido/hidróxido de Ferro (FeOOH), duas fases de Óxido de Ferro (Fe0,942O
e Fe2O3) e uma fase de Barita (BaSO4).
Figura 5.8 – Difratograma das fases presentes na amostra de rejeito de Lama+Flotação
65
A Figura 5.9 apresenta a micrografia obtida e a Tabela 5.2 sistematiza os resultados da
análise MEV para a mistura de rejeitos ‘lama+flotação+magnetita’.
Figura 5.9 – Imagens e elementos químicos da amostra de (‘lama+flotação+magnetita’)
Tabela 5.2 – Análise semi-quantitativa da amostra do rejeito de
‘lama+flotação+magnetita’
ELEMENTO
Na
Al
Si
P
S
Ti
Mn
Fe
Nb
Ba
TEOR (%)
0,5 + 0,11
0,5 + 0,14
7,5 + 1,45
2,0 + 0,15
6,5 + 0,37
6,3 + 0,29
2,9 + 0,18
55,6 + 0,90
0,6 + 0,18
17,6 + 0,86
Por outro lado, a análise DRX do rejeito de ‘lama+flotação+magnetita’ detectou a
presença de seis fases distintas, indicadas no difratograma da Figura 5.10: uma fase de
Óxido de Silício (SiO2), uma fase de Óxido de Bário e Ferro (BaFe2O4), uma fase de
Óxido/Hidróxido de Ferro (FeOOH), uma fase de Magnetita (Fe3O4), uma fase de
Óxido de Ferro (Fe0,942O) e uma fase de Barita (BaSO4).
66
Figura 5.10 – Difratograma das fases da amostra de ‘lama+flotação+magnetita’
Finalmente, a Figura 5.11 apresenta a micrografia obtida e a Tabela 5.3 sistematiza os
resultados da análise MEV para o rejeito de magnetita.
A análise DRX, por sua vez, caracterizou a presença de quatro fases: duas fases de
Óxido de Ferro (Fe2O3), uma fase de Magnetita (Fe+2Fe2+3O4) e uma fase de
Óxido/Hidróxido de Ferro (Fe+3O(OH)), indicadas pelo difratograma da Figura 5.12.
Figura 5.11– Imagens e elementos químicos da amostra de rejeito de magnetita
67
Tabela 5.3 – Análise semi-quantitativa da amostra de rejeito de magnetita
ELEMENTO
TEOR (%)
Al
0,4 + 0,24
Si
0,4 + 0,20
P
1,0 + 0,07
S
2,6 + 0,56
Ti
3,6 + 0,46
Mn
0,7 + 0,12
Fe
87,8 + 2,01
Nb
0,4 + 0,31
Ba
3,1 + 0,95
Figura 5.12 – Difratograma das fases presentes na amostra de rejeito de magnetita
Para todas as amostras ensaiadas, foi possível verificar elevados teores de compostos à
base de ferro e bário, com exceção do rejeito de magnetita, que apresentou somente
ferro em maior concentração. Além destes elementos, constatou-se a presença também
de nióbio, sódio, alumínio, silício, fósforo, enxofre, titânio, manganês e cálcio em
menores concentrações. Visando individualizar as partículas constituintes da amostra,
foram realizadas análises pontuais que detectaram a presença de barita, óxido de ferro,
óxido de silício, monazita, bariopirocloro, holandita, ilmenita e gorceixita.
68
Os resultados evidenciam a heterogeneidade dos elementos constituintes dos rejeitos. A
grande proporção de substâncias compostas basicamente por ferro e bário sugere que os
rejeitos estudados tendem a apresentar elevadas massas específicas, embora não se
tenha observado elevações proporcionais do teor de ferro presente no caso de misturas
de rejeitos envolvendo ‘lama+flotação’ e magnetita. Evidentemente, há que se
considerar ainda nestes resultados as naturais dispersões de composição dos rejeitos,
oriundas das fases dinâmicas dos processos de lavra da mina.
5.4.2 – Densidade das Partículas Sólidas
A densidade das partículas sólidas que compõe um determinado tipo de material, seja
solo natural ou rejeitos, está diretamente ligada à natureza, origem e composição
química. Estudos dos rejeitos de minério de ferro da Pilha de Monjolo, realizados por
Espósito (2000) e Presotti (2002), demonstram uma forte tendência do aumento da
densidade das partículas sólidas em função dos teores de ferro presentes no rejeito.
Rejeitos de minério de ferro, que são basicamente compostos por partículas de quartzo e
hematita, podem ter valores de Gs superiores a 4,0. Bittar (2006), durante os estudos
com rejeito do processo de concentração de fosfato, proveniente do Complexo
Carbonatítico do Barreiro, mesma região de ocorrência do nióbio, encontrou densidades
das partículas sólidas entre 3,36 e 3,62 g/cm³.
Os rejeitos estudados, apesar de não serem compostos basicamente por ferro e quartzo,
possuem mais de 50% da sua composição à base de ferro. Outro componente que pode
influenciar na análise é a presença de barita, cuja densidade das partículas sólidas é da
ordem de 4,5. Assim, torna-se de fundamental importância avaliar as densidades das
partículas sólidas, em função da composição química do rejeito. Os ensaios para
determinação da densidade das partículas sólidas (Gs) foram realizados em
conformidade com os procedimentos descritos na norma NBR 6508 (ABNT, 1984a). Os
resultados obtidos estão apresentados na Tabela 5.4.
Tabela 5.4 – Densidade das partículas sólidas (Gs) para os rejeitos estudados
Rejeito
GS (g/cm³)
L+F
4,341
L+F+M
4,460
69
M
4,917
A Tabela 5.5 apresenta os valores das densidades das partículas sólidas correlacionados
com os teores de ferro e barita de cada rejeito. A maior densidade, obtida para os
rejeitos de magnetita, está diretamente associada à sua composição predominantemente
de ferro.
Tabela 5.5 – Densidade das partículas sólidas, teores de Fe e de Ba dos rejeitos
Amostra
L+F
L+F+M
M
GS (g/cm³)
4,341
4,460
4,917
Teor de Fe (%)
59,5
55,6
87,8
Teor de Ba (%)
18,5
17,6
3,1
5.4.3 – Análise granulométrica
O ensaio de granulometria é o procedimento utilizado para a determinação da
porcentagem em peso que cada faixa de tamanho de grãos representa na massa total
ensaiada. O método utilizado para este estudo foi realizado por meio de peneiramento e
sedimentação, conforme prescrições da norma NBR 7181 (ABNT, 1984b). Os
resultados obtidos indicam uma distribuição granulométrica mais fina para o rejeito
‘lama+flotação’, com frações mais grossas para o rejeito de magnetita (o rejeito
‘lama+flotação+magnetita’ apresentou distribuição granulométrica intermediária no
conjunto dos rejeitos analisados).
A Figura 5.13 apresenta as curvas granulométricas representativas dos rejeitos
estudados. A Tabela 5.6 apresenta as respectivas frações granulométricas dos rejeitos
conforme a escala granulométrica definida pela norma NBR 6502 (ABNT, 1995a). Os
parâmetros granulométricos característicos dos rejeitos (D10, D30, D50, D60, D90, Cu e Cc,
expressos em mm) estão dados na Tabela 5.7. Com base nestes resultados, constata-se
que as amostras que possuem frações de lama e de rejeito da flotação apresentam
características de areia siltosa e a magnetita possui caráter arenoso. Por outro lado,
percebe-se que, com a adição de magnetita, a fração fina é reduzida e o material tende a
perder as características de silte, passando a assumir um caráter tipicamente de areia.
70
Figura 5.13 – Curvas granulométricas para os três tipos de rejeitos estudados
Tabela 5.6 – Frações granulométricas das amostras dos rejeitos
Fração de
Fração de
Fração de areia (%)
Fração de
argila (%)
silte (%) Fina (%) Média (%) Grossa (%) Pedregulho (%)
Amostra
L+F
1,3
31,4
55,2
11,8
0,3
0,0
L+F+M
0,1
18,3
57,3
22,3
1,9
0,1
M
0,8
2,0
44,4
38,2
11,9
2,7
Tabela 5.7 – Parâmetros granulométricos dos rejeitos estudados
D10
D30
D50
D60
D90
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
L+F
0,032
0,059
0,083
0,100
L+F+M
0,042
0,072
0,106
M
0,075
0,129
0,200
Amostra
71
Cu
Cc
0,192
3,125
1,088
0,136
0,290
3,238
0,908
0,256
0,850
3,413
0,867
5.4.4 – Limites de Consistência
Os limites de consistência foram analisados em ensaios realizados em conformidade
com as normas NBR 6459 (ABNT, 1984c) e NBR 7180 (ABNT, 1984d). Através dos
resultados obtidos, conclui-se que os rejeitos estudados constituem materiais
tipicamente granulares, não exibindo características de plasticidade, ou seja, são
classificados como ‘materiais não plásticos’, apresentando índices de plasticidade nulos.
5.4.5 – Índices de Vazios Máximos e Mínimos
As propriedades geotécnicas de um dado solo como resistência ao cisalhamento,
compressibilidade e permeabilidade, podem variar consideravelmente com o estado de
compacidade. Por outro lado, solos distintos no mesmo estado de compacidade podem
apresentar diferenças acentuadas de comportamento, dependendo de características
como granulometria, formato dos grãos, mineralogia, etc. Por este motivo, um rigoroso
critério deve ser adotado ao se relacionar as propriedades geotécnicas dos solos com o
estado de compacidade.
Os rejeitos estudados, conforme apresentado nos estudos de granulometria
demonstrados anteriormente, possuem característica de solo granular. Neste caso, com a
determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, torna-se possível indicar se o
material encontra-se no estado fofo ou compacto.
Os ensaios de determinação dos índices de vazios máximos e mínimos foram realizados
em conformidade com a NBR 12004 (ABNT, 1990) e NBR 12051 (ABNT, 1991),
respectivamente. Estas normas são restritas a materiais não coesivos, que apresentam
teor de finos inferior a 12%. Segundo Presotti (2002), esta restrição só é válida, quando
as partículas finas acarretam um efeito coesivo aos materiais, referindo se aos materiais
naturais.
No caso dos rejeitos estudados, as frações finas são basicamente compostas por
partículas de ferro, isentas, portanto, de características coesivas, motivo pelo qual optou
72
se por utilizar as normas citadas previamente. Os resultados obtidos estão apresentados
na Tabela 5.8.
Tabela 5.8 – Índices de vazios máximos e mínimos para os rejeitos estudados e
respectivas massas específicas dos rejeitos secos
Amostra
L+F
L+F+M
M
emáx
1,136
1,272
0,840
γdmín (kg/m3)
2.049
1.736
2.621
emín
0,664
0,773
0,508
γdmáx (kg/m3)
2.630
2.224
3.199
5.4.6 – Adensamento oedométrico
No estudo do adensamento dos rejeitos, a análise experimental da variação dos índices
de vazios em função dos carregamentos atuantes é de extrema importância na avaliação
da capacidade de estocagem de reservatórios. Quanto mais próximo o índice de vazios
do material depositado no reservatório estiver do índice de vazios mínimo, melhor, pois
maior será o volume disponível de material depositado na barragem.
Para a realização do ensaio de adensamento oedométrico, os corpos de prova foram
moldados por meio da sedimentação do rejeito dentro do anel de adensamento, de seção
circular de 7,14 cm de diâmetro e 2,0 cm de altura, com densidade representativa das
condições in situ. Os corpos de prova foram pesados para a determinação dos pesos
específicos e as sobras de material, resultantes da modelagem, foram utilizadas para a
determinação das respectivas umidades iniciais.
Cada corpo de prova foi montado na célula de adensamento, instalado entre pedras
porosas de topo e base, de modo a permitir a drenagem de dupla face, com os
correspondentes instrumentos para medidas de deformações. Os ensaios foram
realizados com incrementos de pressões entre 12,5 kPa e 1600 kPa, duplicados a cada
período de vinte quatro horas. As fases de descarregamento foram processadas em oito
horas, com alívios de carga na ordem inversa do carregamento.
73
A partir de cada ensaio originou se um gráfico com a variação do índice de vazios em
função do logaritmo das pressões, contemplando as fases de carregamento e
descarregamento, com a determinação da pressão de pré-adensamento pelo método de
Pacheco Silva. Nos gráficos, indicou-se também as variações dos coeficientes de
adensamento ao longo de cada estágio de carregamento.
As Figuras 5.14, 5.15 e 5.16 apresentam os resultados dos ensaios realizados para as
diferentes composições dos rejeitos de nióbio, em termos das curvas (e x log σ’), com a
construção gráfica para obtenção das tensões de pré-adensamento e a curva de
correlação dos valores (cv x log σ’).
Figura 5.14 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito L+F)
74
Para o rejeito L+F, foi obtida uma tensão de pré-adensamento da ordem de 288 kPa,
com índice de vazios inicial de 0,885. Para as condições do ensaio, a variação de índices
de vazios foi 14% no carregamento e de 5,1% no descarregamento. O valor médio do
coeficiente de adensamento médio foi de 4,13x10-7 m²/s.
Figura 5.15 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito L+F+M)
No caso do rejeito L+F+M, a tensão de pré-adensamento da ordem de 284 kPa, com
índice de vazios inicial de 0,978. Para as condições do ensaio, a variação de índices de
vazios foi 14,8% no carregamento e de 4,1% no descarregamento. O valor médio do
coeficiente de adensamento médio foi de 7,23x10-7 m²/s.
75
Figura 5.16 – Resultados do ensaio de adensamento oedométrico (rejeito M)
Finalmente, para o rejeito M, a tensão de pré-adensamento da ordem de 155 kPa, com
índice de vazios inicial de 0,524. Para as condições do ensaio, a variação de índices de
vazios foi 16,6% no carregamento e de 5,5% no descarregamento. O valor médio do
coeficiente de adensamento médio foi de 6,06 x10-7 m²/s.
5.4.7 –Permeabilidade sob carga constante
A condutividade hidráulica dos rejeitos foi avaliada em corpos de prova moldados na
umidade ótima, por meio de ensaios de permeabilidade sob carga constante, conforme
76
prescrições da norma NBR 13.292 (ABNT,1995b), sendo os resultados indicados na
Figura 5.17. Observa-se que a presença de magnetita no rejeito ‘lama+flotação’ não
afetou as características gerais de permeabilidade do rejeito, ainda que o rejeito de
magnetita tenda a apresentar uma condutividade hidráulica algo superior às dos demais
rejeitos. Os valores médios dos coeficientes de condutividade hidráulica dos rejeitos
estão sistematizados na Tabela 5.9.
Figura 5.17 – Curvas de permeabilidade dos rejeitos ensaiados
Tabela 5.9 – Valores médios dos coeficientes de condutividade hidráulica dos rejeitos
Amostra
L+F
L+F+M
M
kmédio (m/s)
9,15 x 10-4
9,02 x 10-4
2,47 x 10-3
k20médio (m/s)
9,05 x 10-4
9,02 x 10-4
2,43 x 10-3
77
CAPÍTULO
6
AVALIAÇÃO DO MODELO DEPOSICIONAL DOS REJEITOS
6.1 – INTRODUÇÃO
Os estudos experimentais realizados in situ, abordados neste capítulo, contemplaram a
simulação dos modelos de disposição dos rejeitos, através de baias experimentais, de
modo a caracterizar a influência destes processos sob condições controladas de
fronteira, bem como sondagens piezométricas efetuadas no reservatório da barragem de
rejeitos em operação, visando à obtenção relação de tendência das leis constitutivas de
adensamento dos resíduos.
Neste propósito, foram construídas baias experimentais para monitoramento e controle
do lançamento, da disposição e segregação hidráulica destes materiais através do
depósito e ao longo do tempo. Os procedimentos de monitoramento incluíram controle
das massas específicas, medições das alturas dos depósitos formados, levantamento
topográfico da praia formada e caracterização granulométrica dos materiais em
diferentes seções das baias experimentais.
Na barragem de rejeitos em operação, foram realizadas coletas de amostras de material
para caracterização granulométrica e medições de massa específica ao longo da praia.
Além disso, foram feitas medições das variações de poropressões em profundidade ao
longo do perfil do depósito, através de ensaios de sondagens piezométricas.
Estes estudos foram aplicados para as mesmas composições de rejeitos estudados
previamente em laboratório, visando caracterizar as similaridades e especificidades do
comportamento geotécnico dos rejeitos num mesmo ambiente deposicional.
78
6.2 – CONSTRUÇÃO E ENCHIMENTO DAS BAIAS EXPERIMENTAIS
Inicialmente, foram construídas três baias, para cada mistura de rejeito, com 10,0 m de
comprimento, 1,0 m de largura e 1,0 m de profundidade, que foram impermeabilizadas
com geomembrana de PEAD (polietileno de alta densidade) de 1,5 mm de espessura,
cuidadosamente ajustada ao fundo e às laterais da escavação (Figura 6.1).
Figura 6.1 – Baia experimental impermeabilizada com geomembrana de PEAD
Duas das baias foram utilizadas para as medições da massa específica e monitoramento
das alturas de rejeitos por 17 e 8 semanas respectivamente; a terceira destinou-se à
coleta de material para ensaios de aferição em laboratório.
O lançamento dos rejeitos foi realizado por meio de mangotes de borracha com 10″ de
diâmetro até o total preenchimento das baias (Figura 6.2). Os teores de sólidos variaram
entre 20 e 30%, sendo esta relação diretamente afetada pela presença ou não de
magnetita. Na presença deste material de grande densidade, impõe-se a necessidade de
mais água para o lançamento, reduzindo-se o teor de sólidos da polpa. Para garantir o
enchimento total das baias, um extravasor, na forma de um pequeno rebaixo, foi
executado na extremidade da baia, oposta ao ponto de descarga, conduzindo assim, a
79
água sobrenadante em percolação contínua ao longo do depósito em direção à barragem
em operação, localizada imediatamente à jusante.
Figura 6.2 – Lançamento do rejeito nas baias experimentais
Visando analisar comparativamente o comportamento da segregação das partículas dos
rejeitos (L+F) e (L+F+M) ao longo de praias de deposição, foram construídas duas
outras baias maiores, com 45,0 m de comprimento, 1,0 m de largura e 1,0 m de
profundidade, igualmente impermeabilizadas com geomembranas de PEAD (Figura
6.3).
Figura 6.3 – Baias experimentais para avaliação da segregação hidráulica
80
O lançamento dos rejeitos foi realizado sob vazão constante por 7 horas em cada baia,
tempo necessário para a formação da praia e o reservatório com rejeitos submersos. O
enchimento das duas baias foi realizado em dias diferentes. Ambas as baias possuíam
extravasores similares aos das primeiras, do tipo rebaixo, localizados na extremidade
oposta à de descarga dos rejeitos. As Figuras 6.4 e 6.5 ilustram, respectivamente, os
processos de enchimento das duas baias, com rejeitos do tipo ‘lama+flotação’ e
‘lama+flotação+magnetita’.
Figura 6.4 – Lançamento do rejeito L+F na baia de 45 metros
Figura 6.5 – Lançamento de rejeito L+F+M na baia de 45 metros
81
Durante o período de enchimento, foram coletadas amostras da água removida pelo
extravasor, para monitoramento do teor de sólidos das águas efluentes das baias, que
indicaram as seguintes variações:
• Baia I: lançamento e disposição do rejeito L+F: 1,6% (início de enchimento) a 0,2%
(final do enchimento);
• Baia II: lançamento e disposição do rejeito L+F+M: 0,7% (início de enchimento) a
0,3% (final do enchimento).
6.3 – CONTROLE DAS MASSAS ESPECÍFICAS DOS REJEITOS
Levando-se em consideração que a massa específica é um parâmetro fundamental na
avaliação da capacidade de estocagem do reservatório, foram realizadas medições na
barragem em operação e nas baias experimentais. Por outro lado, tendo-se em vista que
a metodologia de disposição propicia a segregação hidráulica dos rejeitos, foram
realizadas medições da massa específica também ao longo das praias formadas,
compreendendo, portanto, estudos tanto nas baias de 10 m (baias curtas) como nas baias
de 45 m (baias longas).
Na barragem em operação, além das medições realizadas ao longo da praia, foram
realizadas medições da massa específica em pontos aleatórios no entorno dos sistemas
de lançamento de rejeitos, espigotes de 10″ e tubo de PEAD de 28″, conforme
abordagem apresentada ao final deste capítulo.
6.3.1 – Avaliação da Massa Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Curtas
As análises das massas específicas foram realizadas em quatro seções (pontos) ao longo
da baia, do “Ponto 1” mais próximo ao “Ponto 4” mais afastado da descarga. Em função
das variações específicas do posicionamento dos pontos de coleta das amostras ao longo
dos estudos, é mais apropriado referir-se a uma faixa ou seção de observação do que a
um dado ‘ponto de observação’. As medidas das massas específicas foram previstas
inicialmente para serem executadas na superfície e em profundidades de 0,50 m e 1,0 m
82
do depósito, ao longo dos diferentes estágios de secagem dos rejeitos nas baias,
utilizando-se um amostrador tipo caneco (Figura 6.6) e um cilindro biselado, conforme
as prescrições da norma NBR 9813 (ABNT, 1987).
Figura 6.6 – Amostrador utilizado para as medições da massa específica
Entretanto, em função das dificuldades operacionais para a cravação do amostrador, as
medidas foram limitadas à superfície dos rejeitos, tornando-se o procedimento
genericamente adotado nas análises de campo. A Figura 6.7 ilustra o procedimento de
campo para obtenção das massas específicas in situ, mediante a utilização de cilindro
biselado.
Figura 6.7 – Coleta de amostra do rejeito de magnetita com cilindro biselado
83
Os três rejeitos estudados foram lançados e monitorados seguindo os procedimentos
citados acima, ao longo de dezessete semanas, tomando-se a média aritmética entre as
leituras (massas específicas do rejeito seco) efetuadas nas duas baias associadas. Os
resultados obtidos estão apresentados nas Figuras 6.8, 6.9 e 6.10.
Figura 6.8 – Monitoramento de massa específica do rejeito L+F seco, disposto em baia
Para o rejeito L+F, observa-se um claro comportamento em termos de segregação
hidráulica ditada pelos padrões da massa específica do material, com esse efeito, as
massas específicas tenderam a ser, sistematicamente, maiores para as seções mais
próximas ao ponto de lançamento.
Por meio do monitoramento realizado ao longo das dezessete semanas, tornou-se
possível explicitar a massa específica média do rejeito ‘lama+flotação’ seco para cada
um dos pontos (seções) analisados, bem como os valores dos respectivos desviospadrão entre as medições, nos seguintes termos:
•
Ponto 1 – 2.308,14 kg/m³ com desvio padrão de 156,76 kg/m³;
•
Ponto 2 – 2.137,42 kg/m³ com desvio padrão de 140,55 kg/m³;
•
Ponto 3 – 2.088,84 kg/m³ com desvio padrão de 136,92 kg/m³;
•
Ponto 4 – 1.829,02 kg/m³ com desvio padrão de 139,54 kg/m³;
•
Variação máxima entre valores médios: 20,76%.
84
Figura 6.9 – Monitoramento da massa específica do rejeito L+F+M seco, disposto em
baia
No caso do rejeito ‘lama+flotação+magnetita’, o comportamento anterior é repetido
(decréscimos das massas específicas ao longo da praia de rejeitos), com maior
concentração destes efeitos na zona imediatamente adjacente à descarga dos rejeitos
(ponto 1). Pelo monitoramento realizado ao longo das dezessete semanas, as variações
das massas específicas médias do rejeito ‘lama+flotação+magnetita’ seco e dos
respectivos desvios-padrão ao longo dos pontos (seções) analisados, foram as seguintes:
•
Ponto 1 – 2.197,13 kg/m³ com desvio padrão de 220,21 kg/m³;
•
Ponto 2 – 1.988,88 kg/m³ com desvio padrão de 96,85 kg/m³;
•
Ponto 3 – 1.865,74 kg/m³ com desvio padrão de 134,17 kg/m³;
•
Ponto 4 – 1.782,82 kg/m³ com desvio padrão de 80,59 kg/m³;
•
Variação máxima entre valores médios: 18,86%.
Observa-se, entretanto, neste caso, que a variação máxima entre os valores médios das
massas específicas, embora inferior ao caso anterior (18,86% contra 20,76%), é mais
pronunciada na zona de deposição da baia situada adjacente ao ponto de descarga dos
rejeitos (variação de 9,5% neste caso contra 7,4% de variação das massas específicas
entre os pontos 1 e 2, obtida para o rejeito ‘lama+flotação), ou seja, a deposição de finos
85
de ferro é incrementada na fase inicial do processo de disposição dos rejeitos, em
função da agregação da magnetita.
Figura 6.10 – Monitoramento da massa específica do rejeito M seco, disposto em baia
Para os rejeitos de magnetita, o padrão da massa específica tendeu a ser muito mais
uniforme ao longo da praia, sem a caracterização explícita dos efeitos de segregação
hidráulica ao longo da baia. Adicionalmente, verifica-se uma tendência inversa aos
casos prévios, em que as massas específicas médias tenderam a ser crescentes ao longo
da praia, demandando análises complementares envolvendo as frações granulométricas
e as composições mineralógicas nas diferentes seções investigadas das baias.
As variações das massas específicas médias do rejeito ‘magnetita’seco e dos respectivos
desvios-padrão associados a estas leituras ao longo dos pontos (seções) analisados,
foram as seguintes:
•
Ponto 1 – 2.670,13 kg/m³ com desvio padrão de 123,73 kg/m³;
•
Ponto 2 – 2.695,41 kg/m³ com desvio padrão de 128,28 kg/m³;
•
Ponto 3 – 2.795,32 kg/m³ com desvio padrão de 103,03 kg/m³;
•
Ponto 4 – 2.818,04 kg/m³ com desvio padrão de 150,10 kg/m³;
•
Variação máxima entre valores médios: 5,25%.
86
Devido a este comportamento singular, a praia de rejeitos de magnetita tende a ser
bastante acentuada (Figura 6.11), com a ocupação otimizada do reservatório, exigindo
um contínuo remanejamento dos pontos de descarga destes rejeitos.
Figura 6.11 – Lançamento e formação da praia de rejeitos de magnetita na barragem
6.3.2 – Avaliação da Massas Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Longas
Os procedimentos de controle da massa específica foram aplicados também às baias de
maior extensão, de 45,0 m de comprimento, que haviam sido previstas inicialmente
apenas para avaliações do comportamento geotécnico dos rejeitos em termos de
segregação hidráulica. Neste caso, as medições foram limitadas a um único evento, para
o depósito dos rejeitos formado, imediatamente, após o completo enchimento das baias.
As massas específicas foram obtidas por meio do amostrador tipo caneco (Figura 6.12),
ao longo de 23 pontos, espaçados de 2,0 m, ao longo da praia de rejeitos, em ambas as
baias.
87
Figura 6.12 – Coleta de rejeitos nas baias longas, por meio de amostrador
A Figura 6.13 apresenta os resultados dos valores das massas específicas obtidas para os
rejeitos secos de ‘lama+flotação’ e “lama+flotação+magnetita’, ao longo das baias
experimentais.
Figura 6.13 – Monitoramento da massa específica para rejeitos secos de L+F e L+F+M
(baias longas)
As variações observadas são bastante expressivas, ratificando a influência considerável
dos mecanismos de segregação hidráulica no modelo deposicional dos rejeitos
88
estudados. Na região submersa, as massas específicas tendem a permanecerem
estabilizadas sob valores muito reduzidos (abaixo de 1000 kg/m3), com impactos
significativos sobre a capacidade de armazenamento do reservatório.
6.3.3 – Avaliação da Massa Específica ao longo da Praia de Rejeitos da Barragem
De maneira similar, os estudos da avaliação do modelo deposicional dos rejeitos do
processo de beneficiamento da mina de Nióbio de Araxá, em termos de massa
específica, foram extrapolados para a praia, formada na barragem em operação, sendo
investigados seis pontos ao longo do reservatório da barragem, com o ponto P1
localizado próximo à descarga dos rejeitos e o ponto P6 localizado mais próximo do
lago (Figura 6.14).
Figura 6.14 – Pontos de análises de massa específica na praia da barragem em operação
O ponto P2 está localizado a 65 m do ponto P1, sendo os demais espaçados da ordem de
130 m. Os ensaios foram executados em julho de 2010, em período de paralisação da
Unidade de Concentração para manutenções, e a metodologia empregada foi da análise
da massa específica, por meio de ensaios com cilindro biselado. Estas condições
propiciaram o acesso direto aos rejeitos, para todos os pontos pré-estabelecidos, sem
necessidade de dispositivos especiais. Os resultados obtidos estão indicados na Figura
6.15.
89
Figura 6.15 – Monitoramento da massa específica, ao longo da praia da barragem em
operação
Nota-se que os efeitos da segregação hidráulica são evidentes, conformando o domínio
da praia de rejeitos em dois patamares característicos, localizados entre os pontos P2 e
P4 e entre P5 e P6. Tal conformação é condicionada em larga escala pela disposição
zoneada, atualmente em vigor na barragem, caracterizada pela disposição isolada dos
rejeitos na zona da praia compreendida pelos pontos P5 e P6 utilizados no
monitoramento (Figura 6.14).
6.4 – CONTROLE DO ADENSAMENTO PELAS ESPESSURAS DE REJEITOS
Na concepção original, pretendia-se avaliar a evolução do adensamento dos rejeitos
com as perdas de umidade, em paralelo às medidas das massas específicas, mas estas
abordagens não foram viáveis operacionalmente, pois não foram estabelecidos pontos
fixos para o monitoramento ao longo do tempo, gerando dados inconsistentes. Assim,
optou-se por esvaziar as baias, proceder a novos lançamentos de rejeitos e fixar pontos
para o monitoramento específico do adensamento, por meio da medição da variação de
altura da superfície do rejeito depositado.
Os procedimentos de campo compreenderam a determinação continuada das cotas de
superfície tomadas ao longo de quatro pontos igualmente espaçados das baias de 10 m
90
de extensão (P1 a P4, de montante para jusante da baia), com base em leituras efetuadas
em estacas de madeira graduadas, cravadas no depósito de rejeitos e em terreno natural,
nas bordas das baias (Figura 6.16).
Figura 6.16 – Estacas de madeira para medição das espessuras de rejeitos
As leituras iniciais foram feitas a partir do lançamento dos rejeitos, sendo realizadas,
então, medições semanais durante oito semanas consecutivas. A medição das cotas foi
realizada com a utilização de nível geométrico e mira topográfica. Os resultados deste
monitoramento estão apresentados nas Figuras 6.17 a 6.19.
Figura 6.17 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos L + F (medidas superficiais)
91
Figura 6.18 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos L+F+M (medidas superficiais)
Figura 6.19 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos M (medidas superficiais)
Os rejeitos estudados não apresentaram variações significativas de espessuras ao longo
do período de monitoramento (as variações medidas foram da ordem de milímetros) sob
peso próprio, particularmente para os rejeitos de magnetita e independentemente da
zona de monitoramento. Constata-se, portanto, que o comportamento geotécnico dos
materiais é ditado primariamente por sedimentação direta e não por adensamento
propriamente dito, sendo condicionado basicamente pelas características químicas e
mineralógicas dos rejeitos.
92
Uma vez que as partículas são constituídas essencialmente por espécies minerais com
densidades elevadas, os rejeitos tendem a depositar rapidamente, assim que dispostos
nas baias experimentais. A água da polpa forma uma lâmina sobrenadante que tende a
ser rapidamente encaminhada em direção ao extravasor e removida, então, do depósito.
Estes resultados estão restritos, por outro lado, aos condicionantes impostos aos
fenômenos de segregação hidráulica dos materiais em condições de baias de pequeno
porte. Na barragem em operação, este comportamento geral é também observado,
associado, entretanto, a um determinado nível de adensamento dos rejeitos, induzido,
nestes casos, pela ação das sobrecargas representadas pela disposição seqüenciada de
grandes espessuras dos rejeitos.
6.5 – SEGREGAÇÃO HIDRÁULICA DOS REJEITOS
A segregação hidráulica é um fenômeno que ocorre nos reservatórios de barragens de
rejeitos, no qual a distribuição granulométrica do material depositado varia ao longo da
praia formada. Normalmente, a área mais próxima do ponto de lançamento tende a ser
ocupada pela fração mais grossa do rejeito e, à medida que se afasta do ponto de
descarga, a granulometria do material tende a ir ficando mais fina.
O processo de segregação depende de uma série de fatores, que incluem a distribuição
granulométrica do rejeito, a composição mineralógica, o regime de fluxo e as variáveis
da disposição, particularmente a natureza do processo de descarga, a vazão e os teores
de sólidos presentes na polpa. A segregação representa a tendência da fração sólida dos
rejeitos de se depositar de forma diferenciada na praia de deposição, criando assim um
gradiente de concentração que interfere diretamente na composição granulométrica do
depósito. Esse fenômeno tende a gerar uma enorme variabilidade estrutural, alterando
significativamente os parâmetros de resistência, deformabilidade e condutividade
hidráulica, ao longo do depósito.
O transporte por arraste de sedimentos heterogêneos em meio aquoso é um processo
bastante complexo que se dá por meio de mecanismos de rolamento e escorregamento
das partículas, ao longo do fundo da praia de deposição. Estes processos são regidos
93
pelos esforços tangenciais, mobilizados no fundo da camada viscosa e fortemente
afetados pelas forças ascensionais, impostas pelo regime turbulento do fluxo (Gomes,
2006). Visando avaliar o comportamento dos rejeitos em termos dos mecanismos de
segregação hidráulica, foram coletadas amostras de materiais depositados ao longo das
baias longas (45 m de extensão) e na barragem em operação.
6.5.1 – Processo de Segregação Hidráulica nas Baias Longas
Nas baias longas de 45 m de extensão, a amostragem foi realizada ao longo de pontos
espaçados de 5,0 m, a partir de um ponto inicial (P1), localizado a 2,5 m do ponto de
descarga dos rejeitos, com auxílio do amostrador, especialmente fabricado no escopo
deste trabalho.
As amostras foram encaminhadas para o Laboratório de Solos da empresa ARC
Engenharia, em Uberlândia/MG, tendo sido realizadas as análises granulométricas das
mesmas de acordo com as prescrições da norma NBR 7181 (ABNT,1984b). As curvas
granulométricas obtidas estão apresentadas nas Figuras 6.20 e 6.21, para os rejeitos
‘lama+flotação’ e ‘lama+flotação+magnetita’, respectivamente.
Figura 6.20 – Curvas granulométricas do rejeito L+F, depositado na baia de 45 m
94
Figura 6.21 – Curvas granulométricas do rejeito L+F+M, depositado na baia de 45 m
Constata-se que, no caso do rejeito ‘lama+flotação’, a segregação hidráulica é ditada
essencialmente pela granulometria das partículas, ocorrendo à deposição da fração mais
grossa no trecho inicial de 7,5 m da baia (limite da locação do ponto P2). Três zonas
distintas podem ser caracterizadas no processo, limitadas pela locação dos pontos P2,
P6 e P8, aproximadamente. A presença da magnetita no rejeito (Figura 6.21) promove
uma clara distinção entre as curvas granulométricas dos pontos P1 e P2, evidenciando
os efeitos combinados das distribuições granulométricas e massas específicas neste
caso, e uma forte tendência de homogeneização de tamanhos das partículas, ao longo da
baia, nos trechos compreendidos entre os pontos P3 e P8.
6.5.2 – Processo de Segregação Hidráulica na Barragem em Operação
Na barragem em operação, a coleta de amostras foi realizada ao longo da praia de
rejeitos, na região passível de acesso sem riscos de perda de suporte. A amostragem foi
realizada em 10 pontos distribuídos ao longo da praia, com uma distância entre eles de
aproximadamente 65 metros (Figura 6.22).
95
Figura 6.22 – Pontos de coleta das amostras na barragem para as análises de segregação
Em cada ponto, a coleta de amostras foi realizada em 4 níveis, em superfície e nas
profundidades de 0,50 m, 1,0 m e 1,5 m. Para a realização da amostragem, cravou-se
um tubo de 2,0 m de comprimento e de 200 mm de diâmetro, sendo as amostras
retiradas do interior do tubo por um dispositivo tipo cavadeira. Cada amostra foi
adequadamente acondicionada em saco plástico e, então, encaminhada para o
Laboratório de Solos da Unidade de Concentração, para realização de análises
granulométricas, em duas etapas: por peneiramento para a fração mais grossa e por
granulometria a laser para a fração fina (fração de partículas inferiores a 0,074mm). A
curva granulométrica final foi obtida pela conjugação dos trechos obtidos em cada uma
destas fases dos ensaios.
As curvas granulométricas que estão apresentadas na Figura 6.23, foram determinadas
pelos pontos gerados, com base na média aritmética dos valores obtidos para os quatro
níveis de amostragem, adotados para cada ponto de coleta. Os resultados evidenciam os
96
efeitos de segregação na praia de rejeitos por aspectos granulométricos, com exceção
dos pontos P1 e P5, nos quais constata-se a relevância das interferências das densidades
no processo final de disposição das partículas dos rejeitos.
Figura 6.23 – Curvas granulométricas dos rejeitos depositados na barragem em
operação
6.6 – ANÁLISE DA DECLIVIDADE DAS PRAIAS DE REJEITOS
A declividade da praia de sedimentação do rejeito é um parâmetro de extrema
importância para a operação de uma barragem de rejeitos, uma vez que condiciona, em
larga escala, as zonas de distribuição dos lançamentos dos rejeitos, visando otimizar o
processo de ocupação geral do reservatório da barragem.
Depósitos de polpa que apresentam segregação tendem a ser mais planos, apresentando
praias mais extensas e suaves delimitadas pelas variações graduais das distribuições
granulométricas das partículas depositadas, em relação ao ponto de descarga. As polpas
que não apresentam segregação tendem a formar praias mais íngremes, com poucas
variações granulométricas e com densidades relativamente baixas (Espósito, 2000).
97
Estas influências relativas sobre as declividades das praias, formadas pelos rejeitos do
processo de beneficiamento de Nióbio, foram investigadas também ao longo das baias
longas (45 m de extensão) e para a barragem em operação, conforme exposto a seguir.
6.6.1 – Declividades das Praias de Rejeitos Formadas nas Baias Longas
Nas baias experimentais de 45 metros, efetuou-se o levantamento topográfico do perfil
da superfície do rejeito, por meio da cravação de quatro estacas niveladas nos cantos das
baias, possibilitando a formação de um plano de referência. Com base nesta referência,
procedeu-se à determinação das respectivas distâncias do mesmo à superfície do rejeito,
ao longo da extensão completa da baia experimental.
O resultado deste levantamento está apresentado na Figura 6.24, que indica o depósito
de rejeitos na baia e as fronteiras adjacentes com a água sobrenadante, bem como com
as regiões submersas e não submersas dos materiais. Na figura, estão indicadas em
conjunto as geometrias dos depósitos formados pelos rejeitos ‘lama+flotação’ e
‘lama+flotação+magnetita’ e o sentido da disposição dos rejeitos. Com base nestes
resultados, tornou-se possível destacar três zonas características do domínio dos rejeitos
depositados, conformados pelos trechos das baias situados entre 1 e 6 m, 6 e 12 m e 13
e 45 m, tomados a partir do ponto de descarga (Tabela 6.1).
Figura 6.24 – Geometria da superfície de deposição dos rejeitos nas baias experimentais
98
Tabela 6.1 – Declividades das diferentes seções da superfície de deposição dos rejeitos
(baias experimentais)
Seção
Pontos 1/6
(L+F)
Pontos 6/12
(L+F)
Pontos 12/45
(L+F)
Pontos 1/6
(L+F+M)
Pontos 6/12
(L+F+M)
Pontos 12/45
(L+F+M)
Elevação inicial
Elevação final
Distância entre
Inclinação
(unidades)
(unidades)
pontos (m)
da seção (%)
9,57
9,45
6
2,00%
9,45
9,23
6
3,67%
9,23
9,14
33
0,27%
9,51
9,45
6
1,00%
9,45
9,08
6
6,17%
9,08
8,99
33
0,27%
As declividades dos rejeitos variam entre 1% e 2%, ao longo da praia propriamente dita,
passando, então, a assumir declividades bastante acentuadas na zona de contato com o
reservatório das baias. A presença de magnetita no rejeito é determinante para a geração
destas interfaces íngremes (que chega a ser de 6,2% para os rejeitos L+F+M). Na região
submersa, por outro lado, os rejeitos, sejam relativos aos de ‘lama+flotação’ ou aos de
‘lama+flotação+magnetita’, tendem a apresentar declividades muito suaves, com
superfícies quase-horizontais (declividades da ordem de 0,27%).
6.6.2 – Declividades das Praias de Rejeitos Formadas na Barragem em Operação
Na barragem em operação, são realizados monitoramentos mensais dos rejeitos,
depositados ao longo de todo o reservatório, por meio de levantamentos topográficos
em superfície e batimetria dos rejeitos submersos. Estes dados são, então, processados
e sistematizados, para fins de traçado do nível atualizado dos rejeitos e comparativos
com os níveis anteriormente obtidos.
99
Estes dados (relativos ao período de setembro/2011) foram reavaliados neste trabalho
visando à determinação das inclinações da superfície dos rejeitos constituintes da praia
propriamente dita e também da região de submersão. Para as finalidades deste estudo,
foram tomadas três seções de referência, delimitadas pelos pontos 2 e 3, 3 e 4 e 8 e 9
indicados na Figura 6.25. No conjunto destes pontos, o ponto 9 representa o ponto de
lançamentos dos rejeitos na barragem e o ponto 4, o ponto mais afastado da descarga.
Os resultados, expressos em declividades, estão indicados na Tabela 6.2.
Figura 6.25 – Pontos e seções de referência do depósito de rejeitos da barragem
(CBMM, 2011)
Tabela 6.2 – Declividades das diferentes seções da superfície de deposição dos rejeitos
(barragem em operação)
Seção
Seção 9/8
Seção 2/3
Seção 3/4
Elevação inicial
(m)
1.079,34
1.073,29
1.067,02
Elevação final
(m)
1.074,93
1.067,02
1.064,58
100
distância entre
pontos (m)
1.011,13
255,88
300,00
Inclinação
da seção (%)
0,44
2,45
0,81
Ao longo da praia propriamente dita, a declividade média foi da ordem de 0,44 %,
caracterizando um ambiente suave de sedimentação. Na interface com o reservatório, o
perfil torna-se mais brusco e as declividades atingem 2,45%. Na zona submersa, a
superfície dos rejeitos tende a ser bastante aplainada, com declividades da ordem de
0,81%. Estes valores mostram uma grande conformidade com os resultados obtidos nas
baias experimentais, levando-se em conta as diferentes condições de fronteira e das
variáveis de disposição em ambos os sistemas.
6.7 – COMPRESSIBILIDADE DOS REJEITOS SUBMERSOS
Complementarmente, foi efetuada uma sondagem piezométrica no reservatório da
barragem em operação (Figura 6.26), de forma a caracterizar o comportamento
geotécnico dos rejeitos submersos em termos de compressibilidade.
Figura 6.26 – Realização da sondagem piezométrica no reservatório da barragem
101
Os ensaios foram realizados com a utilização de uma sonda piezométrica construída em
formato cilíndrico e ponta cônica, contendo em seu interior um transdutor de pressão
para medição das poropressões. Para tanto, o transdutor possui interface com uma pedra
porosa metálica fina, de alta permeabilidade e pressão de borbulhamento. O registro das
pressões no transdutor é obtido por meio de sinais elétricos convertidos em medidas de
pressão, através de uma calibração prévia do equipamento.
À sonda foram conectadas hastes rosqueáveis com 1 m de comprimento, as quais
permitem a análise da compressibilidade dos rejeitos em diferentes profundidades. Para
a realização do ensaio, foi utilizada uma balsa flutuante que permitiu a locação da
sondagem piezométrica no domínio do reservatório da barragem.
A primeira etapa do ensaio consistiu na medição da lâmina de água existente acima do
topo do rejeito, que foi de 21 cm. Em seguida, introduziu-se a sonda piezométrica no
reservatório, descendo-se a mesma, conjuntamente com a coluna de hastes, até as
profundidades desejadas (2 m, 4 m e 7 m), sendo realizadas, então, medições da
evolução das poropressões ao longo do tempo, até a sua estabilização final (Figuras 6.27
a 6.29).
Figura 6.27 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 2 m
102
Figura 6.28 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 4 m
Figura 6.29 – Evolução das poropressões nos rejeitos na profundidade de 7 m
Após a leitura das poropressões em todas as cotas de ensaio, procedeu-se à amostragem
do rejeito nas mesmas profundidades, por meio de amostrador especial, destinado à
coleta de amostras de rejeitos pré-consolidados. As amostras deformadas foram
103
acondicionadas em sacos plásticos, devidamente etiquetadas e, então, encaminhadas
para o Laboratório de Geotecnia da UFOP, para a determinação dos índices físicos dos
rejeitos, que constitui a segunda etapa destes ensaios.
Foram determinadas as densidades das partículas sólidas (Gs) e os teores de umidades
(w) dos rejeitos nas profundidades ensaiadas, obtendo-se, então, os correspondentes
valores dos teores de sólidos (Ψ), dos índices de vazios (e) e pesos específicos naturais
(γ), pelas seguintes relações:
Ψ=
1
1+ w
(6.1)
e = Gs w
γ =
(6.2)
(G s + e)
γw
(1 + e)
(6.3)
Os resultados dos ensaios estão indicados na Tabela 6.3, que incluem também os
valores das poropressões (u) obtidas a partir dos ensaios de campo.
Tabela 6.3 – Resultados dos ensaios com as amostras dos rejeitos submersos
Profundidade
(m)
Profundidade
Lama (m)
u máxima
(kPa)
u equilíbrio
(kPa)
2,00
4,00
7,00
1,79
3,79
6,79
47,2
88,5
156,5
32,1
67,1
94,5
w (%)
39,73
44,81
33,45
Ψ (%)
71,57
69,06
74,93
Gs (g/cm³)
4,09
4,09
4,09
e
1,625
1,833
1,368
γ (kg/m³)
2.135
2.050
2.260
σ (kPa)
40,279
79,772
155,538
σ' (kPa)
8,18
12,67
61,04
104
Com base nos valores das tensões totais e das poropressões, foram estimadas as tensões
efetivas (σ’ = σ - u), sendo u a poropressão final de estabilização, determinando-se,
então, os perfis de tensões totais, efetivas e de poropressões (Figura 6.30).
Figura 6.30 – Perfis de tensões totais, efetivas e de poropressões
A correlação entre as tensões efetivas e os índices de vazios (Figura 6.31) permite
estabelecer, inicialmente, a relação de tendência da lei de compressibilidade dos rejeitos
de nióbio para a barragem em operação pela seguinte relação:
e = 2,2164σ ' −0,112
(6.4)
Figura 6.31 – Curva de compressibilidade dos rejeitos depositados na barragem
105
6.8 – INFLUÊNCIA DO SISTEMA DE DISPOSIÇÃO NA BARRAGEM
A barragem em operação possuía dois sistemas de lançamento de rejeitos da fração que
é transportada até o reservatório por gravidade, sendo um realizado por meio de um
tubo de PEAD com Ø de 28″ (Figura 6.32) e outro através de tubos de borracha com Ø
de 10″ (Figura 6.33), apoiados em cavaletes de madeira.
Figura 6.32 – Lançamento dos rejeitos por tubo PEAD de 28″
Figura 6.33 – Lançamento dos rejeitos por tubo de borracha de 10″
106
De forma a se analisar o comportamento geotécnico dos rejeitos depositados em função
do sistema de descarga, foram realizadas medidas das massas especificas dos materiais,
em zonas próximas ao ponto de lançamento, a distâncias máximas de 30 m do mesmo.
Estas análises foram realizadas por meio de cravação de cilindro biselado conforme a
norma NBR 9813 (ABNT, 1987).
As massas específicas médias dos rejeitos secos amostrados na zona de descarga através
dos tubos de 28″e 10″ foram de 2.392 e de 2.282 kg/m³, respectivamente. Uma vez que
o lançamento dos rejeitos decorre dos dois sistemas simultaneamente, conclui-se que as
características do depósito formado não tendem a apresentar grandes variações dos seus
estados de compacidade, mesmo considerando que as velocidades de lançamento dos
rejeitos no caso da tubulação de 28″ são bem maiores que aquelas mobilizadas no tubo
de 10”.
107
CAPÍTULO
7
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
7.1 – CONCLUSÕES
O presente estudo compreendeu a avaliação do comportamento operacional do sistema
de disposição dos rejeitos de nióbio, gerados na planta de beneficiamento, localizada no
município de Araxá/MG, mediante estudos de laboratório e de campo (simulação física
por meio da construção de baias experimentais), envolvendo a abordagem dos rejeitos
em si ou das misturas dos três tipos de rejeitos gerados na planta (‘lama+flotação’,
‘lama+flotação+magnetita’ e ‘magnetita’).
Em se tratando de rejeitos finos, como é o caso da maior parcela dos rejeitos de nióbio,
a determinação do comportamento dos materiais e a formulação de um modelo
deposicional consistente não podem ser baseadas apenas em ensaios convencionais, o
que exigiu a adoção de metodologias específicas complementares para a determinação
de parâmetros geotécnicos representativos do sistema em análise. A simulação física
mostrou-se ser uma técnica simples, prática e bastante consistente para a aferição do
desempenho do sistema atual de disposição de rejeitos de nióbio no reservatório da
Barragem 6 da CBMM – Araxá/MG.
As bases da pesquisa compreenderam a avaliação do modelo deposicional dos rejeitos
praticado atualmente, bem como as análises de eventuais readaptações do sistema no
sentido de se estabelecer práticas operacionais distintas das vigentes, visando à
otimização da capacidade de estocagem do reservatório e a obtenção de um adequado
controle operacional do sistema (com um reservatório contendo 11 milhões de m³ de
rejeitos depositados e incremento anual da ordem de 2,5 milhões de m³). A análise do
comportamento dos rejeitos de ‘lama+flotação+magnetita’, de ‘lama+flotação’ e de
108
‘magnetita’ permitiu caracterizar as melhores metodologias para a disposição destes
rejeitos e a melhor adequação do sistema sob tais circunstâncias.
Os ensaios de caracterização das misturas dos rejeitos estudados mostraram que os
rejeitos de ‘lama+flotação’ e ‘magnetita’ apresentaram faixas de variação de índices de
vazios bem mais abrangentes do que aquela constatada para a mistura total envolvendo
‘lama+flotação+magnetita’. Considerando-se este aspecto isoladamente das variáveis de
disposição no reservatório, conclui-se que é possível a obtenção de estruturas adensadas
muito mais compactas (limites menores dos índices de vazios mínimos) quando do
lançamento dos materiais segregados e não por meio da mistura dos mesmos.
Os resultados obtidos nas baias experimentais ratificaram estas observações. Quando se
realiza a disposição de forma segregada (‘lama+flotação’ e ‘magnetita’ como materiais
distintos), os estados de compacidades finais tendem a ser maiores daqueles atingidos
quando ocorre a disposição de forma misturada (‘lama+flotação+magnetita’). Constatase que, em termos práticos, a adição da fração mais grosseira de magnetita no rejeito
mais fino (lama+flotação) induz um rearranjo de grãos que compromete o arcabouço
sólido da mistura e o empacotamento dos grãos, com influência direta no seu estado de
compacidade final.
Os resultados das análises químicas e mineralógicas evidenciaram a heterogeneidade
dos elementos constituintes dos rejeitos. A grande proporção de substâncias compostas
basicamente por ferro e bário impõem elevadas densidades aos rejeitos estudados, de
maneira geral, embora sem uma projeção proporcional destes teores elevados de ferro
(devido à magnetita) no caso da mistura ‘lama+flotação+magnetita’. O elevado teor de
ferro presente na fração de magnetita é ‘perdido’ na matriz de finos (formação de
estratos na base da camada de disposição), com a mistura passando a se comportar
essencialmente como o rejeito fino em termos da densidade das partículas sólidas,
embora razoavelmente concordantes em termos da distribuição granulométrica global.
Por outro lado, observou-se que a presença de magnetita no rejeito ‘lama+flotação’ não
afetou as características gerais de permeabilidade do rejeito, ainda que o rejeito de
109
magnetita tenda a apresentar uma condutividade hidráulica algo superior às dos demais
rejeitos (2,5 x 10-3 m/s contra 9,0 x 10-4 m/s). Mais uma vez, constata-se a atuação
‘independente’ dos rejeitos de magnetita no processo de formação do depósito da
mistura dos rejeitos, basicamente atuando como um maciço de rejeitos finos.
Os três rejeitos foram lançados e monitorados em termos de segregação hidráulica das
polpas, ao longo de dezessete semanas, tomando-se a média aritmética das massas
específicas obtidas em pontos homólogos de duas baias experimentais com 10m de
extensão cada uma. Para os rejeitos L+F+M e L+F, as densidades tenderam a ser
sistematicamente maiores para as seções mais próximas aos pontos de lançamento,
indicando, assim, comportamentos clássicos de segregação hidráulica.
Para o rejeito de lama+flotação, a segregação hidráulica é observada, no entanto, de
uma maneira mais branda e homogênea. Na região localizada acima do nível de água, o
material tende a apresentar características semelhantes, ou seja, a granulometria ao
longo da praia apresenta-se mais uniforme. No caso dos rejeitos L+F+M, as variações
das massas específicas foram bem mais pronunciadas na zona de deposição da baia
situada adjacente ao ponto de descarga dos rejeitos, indicando que a deposição de finos
de ferro tende a ser incrementada na fase inicial do processo de disposição dos rejeitos,
em função da agregação da magnetita.
Para os rejeitos de magnetita, entretanto, o padrão das massas específicas tendeu a ser
muito mais uniforme ao longo da praia, sem caracterização explícita dos efeitos de
segregação hidráulica ao longo da baia. Devido a este comportamento singular, a praia
de rejeitos de magnetita tende a ser bastante acentuada, com a ocupação otimizada do
reservatório, exigindo um contínuo remanejamento dos pontos de descarga destes
rejeitos.
Estas grandes variações das massas específicas foram explicitadas também no caso das
baias longas, de 45 m de extensão, ratificando a influência considerável dos
mecanismos de segregação hidráulica no modelo deposicional dos rejeitos estudados.
Na região submersa, as densidades tenderam a se estabilizar sob valores muito
110
reduzidos (massas específicas inferiores a 1000 kg/m3), com impactos significativos
sobre a capacidade de armazenamento do reservatório.
Extrapolando os estudos para a praia formada na barragem em operação, nota-se que os
efeitos da segregação hidráulica são evidentes e definem dois patamares característicos
ao longo da praia de rejeitos, condicionados em larga escala pela disposição zoneada
atualmente em vigor na barragem (disposição isolada dos rejeitos de magnetita).
Os rejeitos estudados não apresentaram variações significativas de espessuras ao longo
das baias experimentais e ao longo do período de monitoramento, constatando-se,
portanto, que o comportamento geotécnico dos materiais é ditado primariamente por
sedimentação direta e não por adensamento propriamente dito, sendo conduzido
basicamente pelas características químicas e mineralógicas dos rejeitos. Inicialmente,
observa-se que a relação de tendência da lei de compressibilidade dos rejeitos estocados
na barragem em operação é expressa pela relação e = 2,2164 σ’-0,112 (σ’ em kPa), com
os rejeitos apresentando teores de sólidos variando entre 69% e 75% (até 7,0m de
profundidade na lama).
As declividades dos rejeitos variaram entre 1% e 2% ao longo da praia propriamente
dita, passando então, a assumir declividades bastante acentuadas na zona de contato
com o reservatório das baias. A presença de magnetita no rejeito é determinante para a
geração destas interfaces íngremes (que chega a ser de 6,2% para os rejeitos L+F+M).
Na região submersa, por outro lado, os rejeitos, sejam relativos aos de ‘lama+flotação’
ou aos de ‘lama+flotação+magnetita’, tenderam a apresentar declividades muito suaves,
com superfícies quase horizontais (declividades da ordem de 0,27%).
Ao longo da praia da barragem, a declividade média foi de 0,44 %, caracterizando um
ambiente suave de sedimentação. Na interface com o reservatório, o perfil torna-se mais
brusco e as declividades atingem 2,45%. Na zona submersa, a superfície dos rejeitos
tende a ser bastante aplainada, com declividades da ordem de 0,81%. Estes valores
mostram uma grande conformidade com os resultados obtidos nas baias experimentais,
levando-se em conta as diferentes condições de fronteira e das variáveis de disposição
111
em ambos os sistemas. Estes resultados mostraram que as características do depósito
formado não tendem a apresentar grandes variações em função do sistema de descarga
adotado.
Com base nos estudos desenvolvidos nesta pesquisa de cunho experimental, conclui-se
que a adição de magnetita no rejeito de lama+flotação tende a comprometer a eficiência
do modelo deposicional dos rejeitos finos, com impactos negativos na capacidade de
estocagem do reservatório. Assim, a integração das análises feitas permite concluir que
os procedimentos atualmente aplicados à disposição dos rejeitos na Barragem B6 do
Complexo Industrial de Araxá são os mais consistentes do ponto de vista operacional.
7.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
As conclusões anteriores ratificaram a adequação do sistema atual de disposição de
rejeitos de nióbio no âmbito da Planta localizada em Araxá, em forma de polpa e
mediante a separação do lançamento entre os rejeitos finos e de magnetita no
reservatório da Barragem B6. Estes estudos contribuíram decisivamente para o pleno
conhecimento do modelo deposicional induzido no reservatório da barragem, atendendo
assim, de forma explícita, o objetivo primário desta proposta de pesquisa.
Entretanto, estudos adicionais são benvindos e relevantes, sendo propostas as seguintes
linhas de investigação complementares:
•
Estudar a influência relativa de diferentes sistemas de drenagem implantados
sobre o sistema de impermeabilização da barragem, avaliando-se a evolução do
adensamento dos rejeitos armazenados;
•
Estudar metodologias alternativas de disposição do rejeito de lama+flotação de
forma a minimizar os efeitos da segregação hidráulica;
•
Estudar a possibilidade de desaguamento prévio e empilhamento dos rejeitos de
magnetita.
112
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