PPGEM
MIN 746
Lavra Subterrânea
Prof. José Margarida da Silva
2010
Métodos de Lavra Subterrânea
POR QUE LAVRA SUBTERRÂNEA?
Profundidade do depósito*;
Quantidade de material a ser retirado para alcançar o minério;
Jazidas aflorantes vão se tornando escassas;
Restrições ambientais à lavra a céu aberto;
Aumento do conhecimento do comportamento de maciços rochosos.
* Torres e Diniz da Gama (2005): minas pouco
profundas ou rasas (até 850m) e profundas (a partir de 850m).
Dessureault (2004): se existe perspectiva de mais de 150m de profundidade,
admite-se a hipótese de mina subterrânea.
2
Custos e decisão de lavra
Cam – custo minério;
R – REM;
Cse – custo retirada estéril;
Cs – custo subsolo.
MINA A CÉU ABERTO E SUBTERRÂNEA
Arranjo de uma
mina com
transição céu
aberto para
subterrânea.
Fazenda
Brasileiro,
Jerrit Canyon,
Jouac,
Kamoto,
Loolekop,
Kittila,
Mount Isa,
Turmalina,
Pyhasalmi,
Raglan,
Vazante, ...
Fases da
mineração
Operações e equipamentos
Lavra convencional (cíclica) explosivos: perfuração,
carregamento e detonação,
remoção dos gases, limpeza da
frente;
Lavra contínua - equipamentos que
desagregam
rocha
por
escarificação;
Sistema misto - comum para carvão,
corte para face livre executado por
máquina de corte (rafadeira) e
execução de furos para desmonte
por explosivo;
Decisão:
aspectos
técnicos
e
econômicos. Economia, segurança,
mínimo de perturbação ambiental
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Rocha dura: pequena escala
• Perfuração manual
• Carregamento:
– carregadeiras tipo LHD (load, haul and dump)
com capacidade de 0,4 m3 até 4 m3 ou de
descarga traseira.
– Transporte:
– caminhões de 7 t a 15 t, dependendo do
tamanho das vias;
– trens, especialmente composições com vagões
tipo gramby car com 4 t a 8 t de capacidade,
sendo usados 8 a 12 vagões por trem;
– trem caindo em desuso (menor flexibilidade,
baixa produtividade).
Rocha dura: média escala
• Perfuração mecanizada
• Carregamento:
– carregadeiras LHD com capacidade entre
4,5 m3 e 7 m3.
• Transporte:
– caminhões de 20 t a 30 t.
Rocha dura: grande escala
• Perfuração mecanizada – jumbos
• Carregamento:
– carregadeiras LHD com capacidade entre
9 m3 e 11 m3.
• Transporte:
– caminhões de 40 t a 80 t (em teste 90t).
Rocha mole
• Desmonte contínuo
• Carregamento:
– mineradores contínuos ou cortadeiras para desmonte
e/ou carregamento.
• Transporte:
– Carros transportadores (shuttle cars) e correias
transportadoras;
– às vezes utilizam-se mineradores contínuos ou
combinação com carregadeiras LHD e caminhões.
LAVRA SUBTERRÂNEA
Princípios fundamentais
Abandono de pilares
Desmonte com o avanço de
aberturas paralelas.
Deixam-se porções do minério
para
formar
pilares,
de
dimensões e formas adequadas.
Pilares limitam os vãos das
aberturas
e
promovem
a
sustentação do teto.
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Princípios fundamentais
Enchimento
Minério In situ
Enchimento
Sentido de
avanço da
frente
Planta
Material útil vai sendo extraído; vazio formado é preenchido com
outro material para sustentação do teto;
Desmonte da face é integral; frente se desloca, sendo
acompanhada pelo enchimento;
Teto na frente de trabalho normalmente sustentado para evitar
queda de blocos ("chocos").
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Princípios fundamentais
Abatimento controlado do teto
A
B
Com avanço da frente de
lavra, provoca-se seu
desabamento, a uma distância
controlada, dissipando-se
parte da energia armazenada.
A rocha desabada empola, o
que inibe a propagação do
abatimento.
Blocos começam a exercer
reações apreciáveis sobre o
teto, favorecendo sua
sustentação.
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Classificação de Métodos
Métodos de lavra subterrânea
Métodos sem suporte artificial
Room-andpillar
Suportados
Abatimento
Sublevel and
longhole open
stoping
Longwall
mining
Cut-and-fill
stoping
Shrink
stoping
VCR
Stoping
Deslocamentos
Energia armazenada
(Brady e Brown, 2004)
Sublevel
caving
Block
caving
Classificação de corpos de minério
Minério desmontado desce
por gravidade até galeria
de transporte;
Inclinação a partir da qual
começa a ocorrer
rolamento do minério
desmontado depende das
dimensões dos blocos e da
regularidade do piso; fica
entre 45° e 50°;
Escavações devem ter
inclinação superior ao
ângulo de repouso do
minério fragmentado.
Corpos de mergulho acentuado
14
Classificação de corpos de minério
Equipamentos chegam até as
pilhas de minério desmontado
nas frentes de lavra;
Máxima inclinação varia com tipo
e porte do equipamento, mas
habitualmente fica entre 8 e 11
(15 a 20%);
Além desses limites pode ainda ser
exeqüível, com o desmonte
conduzido segundo retas de
menor declividade ou horizontais
de mesmo plano do corpo.
Corpos horizontais e
subhorizontais
15
Classificação de corpos de minério
Inclinação excede limites de
trafegabilidade
(“gradeability”) de
equipamentos, mas não é
suficiente para que ocorra
escoamento do minério
desmontado, sob ação da
gravidade, das frentes de
lavra até galeria de
transporte;
Minério precisa ser arrastado
até locais de carregamento.
Corpos de mergulho
suave
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Alargamento em subníveis (sublevel stoping)
Passagem de
pessoal
Ponto de
carregamento
Galeria de
transporte
Travessas de carregamento
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Alargamento em subníveis
Perfuração mecanizada: em leque ou
paralela.
Carregamento:
– LHD, descarga traseira,
carregadeira frontal, chutes.
Transporte:
– Caminhões convencionais ou
rebaixados, correias;
– Preferência para equipamentos de
maior porte.
Caminhão (Mina Santa Helena, Brasil)
18
Alargamento em subníveis - análise
Fácil ventilação;
Pequena exposição;
Pequena necessidade de suporte;
Recuperação pode alcançar 75%;
Diluição de 20%;
Não seletivo;
Furos longos requerem cuidadoso alinhamento
(desvio menor que 2%).
19
Lavra por corte e enchimento (cut and fill)
mining)
Capa
Realce
Passagem
de minério
Enchimento
Lapa
20
Por corte e enchimento
Minério é completamente removido.
Material de enchimento suporta as paredes e fornece piso para
a lavra da próxima fatia de minério;
Enchimento - Rockfill, backfill, sandfill, pastefill;
Resistência das encaixantes: fraca;
Forma da jazida: variada - pode ser irregular, descontínua;
Teor alto;
Forte mergulho, mas adaptável.
21
Corte e enchimento (Aterro)
Perfuração mecanizada
CARREGAMENTO
TRANSPORTE
LHD com capacidade 0,4m3
(elétricas), até 3m3, raramente
maiores; rastelo.
Caminhões ou trens com vagões de
pequeno porte.
22
Corte e enchimento - Análise
Alta mecanização;
Boa seletividade;
Alta recuperação de minério (90 a 100%);
Baixa diluição;
Baixo custo de desenvolvimento;
Versátil;
Estéril e rejeito podem ser distribuídos no subsolo.
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Abatimento em subníveis (Sublevel caving)
Zona abatida
Lavra: desmonte
e carregamento
Perfuração
Passagem de
minério
Desenvolvimento
Nível principal de transporte
Abatimento em subníveis
• Perfuração mecanizada;
• Carregamento e transporte:
LHD´s controle remoto,
caminhões 22t, vagões 35 a 40t.
• Lavra descendente, furação
longa ascendente;
• Minério desmontado despejado
em passagens, deixando-se a
capa deformar-se e abater-se;
• Fluxo de material fragmentado
grosseiro: fator mais importante
no método;
• Produção superior a 50.000t/dia;
• Investimento inicial de centenas
de milhões de dólares.
Mina de Kiruna, Suécia
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Abatimento em subníveis – análise
Requisitos rígidos;
Melhores índices de segurança e de saúde;
Alta recuperação (80 a 90%);
Independência das operações;
Diluição inevitável (10 a 35%);
Perdas de minério entre a detonação de um leque e outro (10 a 20%);
Subsidência.
26
Block Caving
Preparação
do solapamento
ramificações
subnível com grelha
Nível principal
Nível de transporte
Abatimento em blocos
Blocos solapados para induzir abatimento;
Minério e rocha encaixante são abatidos;
Alta produtividade, altas escalas de produção;
Baixo custo de lavra (custo relativo de 20%);
Diluição: 10 a 20%, recuperação até 100%;
Operações padronizadas, boa supervisão; bons índices saúde e
segurança;
Subsidência pode ser em grande escala, controle de fluxo crítico;
Grande tempo de desenvolvimento para blocos (cerca de
1000m2), se desmonte sem explosivo.
28
Método por câmaras e pilares (room and pillar mining)
Perfuração vertical
Pilar
Perfuração
frontal
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Câmaras e pilares
Perfuração mecanizada (frontal,
descendente ou ascendente):
Entradas múltiplas
− Minerador contínuo substitui
perfuração e detonação –
Marietta: capacidade 10mil t/dia.
Carregamento:
– LHD a diesel ou elétricas de 0,75
a anterior
Painel
11 m3.
Transporte:
– Nos realces, por shuttle cars
descarregando em correias ou por
vias abertas na lapa para este fim
através de caminhões ou trens;
– Caminhões rebaixados e articulados
Novo painel
15 a 50 t.
30
Carregadeira rebaixada LHD
Load, haul,
dump
Transporte até
250, 300m
31
Caminhão e carregadeira
Caminhão rebaixado
Caminhão e carregadeira
32
Rastelo
Minério fragmentado
Minério in situ
33
Morro do Urucum
(RDM, manganês, Brasil)
Desenvolvimento: poço raso e túnel na lapa;
Lavra adicional no teto, devido à baixa potência;
3 horizontes diferenciados de “ataque”;
subdivisão do corpo de minério em 3 faixas sub-horizontais, painel de
800mx800m, com distância lateral de 400m, de acordo com condição
geomecânica da rocha (encaixante: arcósio).
Definição se deveu à grande área e contribuiu para melhor adequação
às metodologias de lavra, às operações de ventilação e transporte do
minério.
Câmaras e pilares - carvão
Acidente: final anos 80;
Exigências do DNPM para
F.S.=1.8;
Baixa recuperação da lavra;
Desconhecimento do
comportamento geomecânico
da Camada Bonito;
Necessidade de novas
metodologias para
dimensionamento de pilares.
35
Mina Taquari - Vassouras
• Lavra entre 430 e 640m profundidade;
• Desmonte por mineradores contínuos;
• Carregamento por shuttle cars;
• Transporte por correias (7 km);
• Produção de cloreto de potássio;
• Capacidade ampliada de 645 mil t/ano para 850 mil t/ano.
36
Câmaras e pilares
Galerias interligadas por travessas perpendiculares ao corpo de minério;
Número de aberturas que atenda à vazão de pessoal, equipamentos,
ventilação;
Lavra convencional (cíclica, regular) ou contínua;
Recuperação - 20 a 60%,
Diluição - 0 a 5%.
Método se presta bem à mecanização;
Mina pode ser retomada, com enchimento ou abatimento;
À medida da profundidade, rivaliza com outros métodos (lavra frontal –
veios estreitos, acima de 1.050m – lavra por solução);
Reutilização das aberturas depende de planejamento prévio.
37
Minerador contínuo
38
Fan Drill Simba
39
Robô para projeção de concreto
40
Lavra por frente longa (longwall) - planta
Área abatida
Ventilação
Entrada de ar
carvão
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Lavra por frente longa (longwall)
Lavra integral, desmonte em face contínua, abrangendo toda a
extensão;
Com ou sem abatimento;
Galerias de transporte (duplas ou triplas), próximas, cerca de 100m
de comprimento, para material e pessoal;
Subida face livre para iniciar desmonte;
Arranjo longitudinal (corpos de pequena espessura);
Arranjo transversal (espessura a partir de 30m);
Exige rigoroso controle do contato.
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Lavra por frente longa (longwall)
Lavra em avanço (menor desenvolvimento prévio) ou em recuo
(entradas simples usadas apenas por um painel, mais barata,
mais rápida, requer menos mão de obra);
Grande produtividade (maior em subsolo);
Grande recuperação na lavra;
Custo de manutenção elevado (tempo de transferência de
equipamentos de um painel para outro);
Alto custo de investimento ou de capital.
43
Cortadeira e suporte auto-marchante
44
Lavra por frente longa (longwall)
• 80%: desmonte com mineradores contínuos;
• Carregamento:
– Transportadores de correntes que operam junto à face.
• Transporte:
– Correias transportadoras ou carros (shuttle cars) dispostos
nas travessas.
45
Carro transportador (Shuttle car)
46
Lavra por frente longa (longwall)
47
Longwall
•
•
•
•
•
•
•
•
•
.
Western Deep Level Gold Mine, South Africa;
Gordonstone Coal Mine, Queensland, Australia;
Appin Colliery Coal Mine, New South Wales, Australia;
Southern Coalfield Mine, New South Wales, Australia;
South Africa Gold Mine;
Lavra experimental, Mina do Leão, Brasil;
Mimosa (México) – carvão,
Wyoming Trona – ouro e potássio (África do Sul);
Impala – platina (África do Sul): suportes de madeira, transporte na
frente: rastelo, água.
Produtividade e custo de lavra
MÉTODO DE LAVRA
PRODUTIVIDADE
(t/homem X turno)
Céu aberto
CUSTO UNITÁRIO
(US$/t)
26 - 15
Câmaras e pilares
27 - 73
11 – 33
Alargamentos abertos
27 – 45
9 – 33
Por recalque
4 – 15
17 – 44
Por subníveis
14 – 50
13 – 39
Corte e enchimento
9 – 40
17 – 55
Longwall
63 – 163
6 – 28
Abatimento em
subníveis
15 – 40
13 – 44
Abatimento em blocos
14 - 50
6-22
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Mecanização e automação
• Automação: chave para segurança e produtividade na
mineração.
• Operações de mineração subterrânea em processos de
produção muito profundos, de acesso extremamente
difícil ou com alto grau de periculosidade tornam a
automação e os equipamentos de operação autônoma
escolhas óbvias.
• Objetivos
• aumentar a segurança,
• reduzir o trabalho manual repetitivo,
• aumentar a eficiência e a produtividade geral.
• Jumbos: adaptados e implementados - rockbolters –
colocação de parafusos de ancoragem e scalers –
abatimento de chocos ou raise climbers – plataformas
elevatórias;
Mecanização e automação - tendências
• “trackless mining” – vagões: alta produção;
• “Minas novas, situadas em áreas remotas, não
são as mais atrativas para recrutar pessoas com
melhores qualificações. Para explorar essas
jazidas de forma rentável, a automação não será
apenas uma opção – será a única opção."
•
•
•
•
•
•
•
Equipamentos auxiliares:
robôs para concreto projetado,
suportes deslocados por controle remoto,
carregadores de explosivos,
ventiladores,
bombas de drenagem,
Veículos auxiliares de iluminação etc.
Mecanização e automação
• Retirada mecânica de chocos
•
geralmente oferece ao trabalhador maior proteção.
•
Operador remove a rocha solta, enquanto fica
posicionado em cabine de proteção e a maior distância
que na retirada manual.
• Em 2002, cerca de 25% das minas brasileiras já
usavam scaler (perfuratriz adaptada para o batimento
mecanizado de chocos).
• Equipamento híbrido de barra convencional de
abatimento de chocos e rompedor hidráulico.
• CMS – Caving Monitoring System - laser “desenha”
cavidade a distância.
Mecanização e automação
• sistemas computadorizados de controle e orientação
em grandes equipamentos de perfuração subterrânea e
carregadeiras;
• nova carregadeira LHD reduz esforço físico do
operador, aproveitando da melhor maneira a potência.
• Caçamba penetra nos detritos com mais facilidade e
rapidez, permitindo aumento do número de cargas por
turno.
• Benefícios em termos de produtividade e segurança
derivados dos sistemas de controle;
• Tendência de uso de CLPs – controladores lógicos
programáveis;
•
•
•
•
•
•
Mecanização e automação
Instalação de parafusos controlada a distância
Utilização de equipamento de instalação de cabos
– Brasil e Finlândia, Chile, entre outros.
Mina de Cuiabá (MG) – corte e enchimento
Conjugação em um equipamento de funções
realizadas por 3 máquinas elevou em 18%
velocidade de instalação de cabos. O
equipamento apresenta disponibilidade de 89%,
com 20 a 25 mil m de suporte realizado.
Kemi Mine, na Finlândia
Equipamento tem carrossel para 17 hastes,
velocidade de instalação superior a 40m/h, em
furos de 51mm de diâmetro, 20 ou 25m de
comprimento. Também na Mina Michilla, no Chile.
Mecanização e automação
• sistemas automáticos de troca de bits,
• sistemas automáticos de abertura de túneis;
• Measure While Drilling, sistema de registro de
características de estratos de rochas que usa a
perfuratriz como sensor enquanto faz os furos.
• Os dados registrados são, em seguida,
transferidos para um PC para uma análise mais
detalhada, sendo possível fazer uma previsão da
interpretação das características geológicas.
Tendências – cooperação empresas/fabricantes;
minas-escola; utilização de tecnologia que forneça
uma visualização prévia da realidade.
Mecanização e automação – Estudo de Caso
• Mina Finsch (África do Sul) – diamante - Abatimento
em blocos
• Sistema AutoMine – caminhões autônomos
trafegam no ciclo de transporte entre os pontos de
carregamento e o britador primário, localizado
próximo ao sistema de içamento do poço vertical.
Eletrônica embarcada, comunicação sem fio.
• Benefícios
• Aumenta utilização de equipamentos,
• maiores velocidades de transporte aumentaram a
produção;
• Maior estabilidade de escavações, redução do risco
de dano ao trabalhador.
Mina Finsch
• África do Sul – diamante
• Manuseio de minério tem CMS – planejamento
das atividades do dia, divisão nos turnos de
trabalho, dando orientações para LHDs.
• Registro de todos os movimentos do
equipamento.
• Fornece informações para outros sistemas de
controle:
• PCS – Production Control System;
• MCS – Mission Control System.
• Da sala de controle na superfície, o operador
controla caminhões e LHDs.
Futuro
Mina automática?
Caminhões baixa/alta capacidade?
Britagem/usina dentro da mina subterrânea:
Andina (Chile); Baltar (Brasil); Kidd
Creek, Otjihase (Canadá); Central Rand
Gold, projeto de Efemçukuru (África do
Sul).
Minas fechadas: visitação, enchimento,
armazenamento
Avanços no processo de extração
Minería Actual
Minería de Transición
LHD
ORE PASS
Minería Continua
Tendências
Tatiya, 2005: mina
subterrânea do futuro
será controlada de uma
sala.
SANDVIK, 2008: um
operador para vários
equipamentos (LHD´s ou
caminhões).
Índia: Qual o limite?
Referências Bibliográficas
Brady, B. H. G.; Brown, E. T. Rock Mechanics for Underground Mining. 2006.
Cummins, A. B; Given, I. A. 1992. Mining Engineering Handbook. AIME.
Dessureault et al. Application of computers and operations research in the
mineral industry. Balkema. 2004.
Gerstch, R. E.; Bullock, R. L. Techniques in Underground Mining. SME, Littleton,
USA. 1998.
Hartman, H. L; Mutmansky, J. M. 2002. Introductory Mining Engineering. John
Wiley.
Hustrulid, W. A.; Bullock, R. L. 2001. Underground Mining Methods. SME.
Tatiya, R. R. Surface and Underground Excavations, p. 152-154. 2005.
Urbina, F. P. O. Fundamentos de Laboreo de Minas. FGP. Madri. 1994.
Lisboa, F. M. Mineração – uma experiência vivida. 2009.
Periódicos:
Brasil Mineral; In the Mine;
Revista Escola de Minas (REM); CIM Bulletin;
Engineering & Mining Journal/ World Mining Equipment;
Minérios & Minerales; Mining and Annual Review;
Mining Engineering; Mining Magazine; World Tunnelling;
Mining Perspectives for both worlds. P&H.
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