DEMIN/EM/UFOP Estabilidade de Escavações Subterrâneas –

MIN 225outubro/2008

Prof José Margarida da Silva

Suportes Descontínuos

(e Ancoragens)

Sumário

• Introdução• Definições• Tipos de suportes• Pilares Naturais• Esteios (madeira, metálicos, hidráulicos)• Pilhas (fogueiras, baterias, suportes auto-

marchantes, pilares artificiais);• Ancoragens• Bibliografia

Sustentação de Escavações

• Suportes descontínuos: esteios, arcos, quadros, pilares naturais ou artificiais, suportes auto-marchantes;

• Revestimento: telas, concreto projetado (shotcrete);

• Tratamento do maciço: ancoragens, injeções, congelamento de terreno.

Suportes descontínuos

• Elementos destinados a controlar os esforços na periferia da escavação, colocados em pontos da mesma, geralmente segundo uma malha de instalação.

• Esteios (pontaletes ou escoras),• Pilhas: baterias de esteios, fogueiras, pilares

artificiais, suportes auto-marchantes;• Quadros (jogos) e arcos (cambotas)

O MÉTODO CONSTRUTIVO NATM

                                                                                                                                                         

O MÉTODO CONSTRUTIVO NATM

                                                                                                                                                         

Dimensionamentode pilares e das câmaras(Hoek e Brown, 1980)

Pilares naturais

Dimensionamento de pilares

• um estudo relativamente novo (pouco mais de quatro décadas), com pesquisas de Salamon, Holland, Bieniawski, Peng e outros.

• Abrangência lavra subterrânea: EUA – 33% da produção.

• mineração do carvão - como acontece com mineração subterrânea como um todo, dificuldade de se conseguir a documentação dos casos no Brasil é grande.

• Quanto maior o fator de segurança, maior a vida útil (lifetime).

• Peng (2007: importa numericamente o fator de segurança, menos o valor do carregamento sobre o pilar e a resistência do pilar.

Dimensionamento de pilaresFatores na estabilidade do arranjo de pilares• Largura da escavação, largura do pilar, altura do pilar.

Outros fatores:• custo da informação (realização de ensaios),• método de lavra, • tipo de abertura (sua vida útil), • confiabilidade dos resultados (por exemplo, as

condições de confinamento do corpo de prova).

Diferentes expressões analíticas de resistência de pilar; todas partem da teoria da área tributária.

Esteios

• Elemento de sustentação vertical entre a soleira e o teto.

• A sua natureza varia de acordo com as características necessárias.

• O seu tipo vai do esteio de madeira ao esteio hidráulico regulável.

• Os esteios metálicos são recuperados no fim do desmonte.

Esteios

• Coluna, de seção transversal pequena, comparada com seu comprimento, solicitada à compressão axial simples;

• Esteios de madeira – comportamento estrutural afetado pela variabilidade da madeira (material natural);

• Esteios metálicos de atrito.

Esteios de madeira

Esteios hidráulicos

• apresentam pequena dispersão das curvas características,

• carga de montagem elevada,

• pequena deformação antes da cedência,

• cedência sob carga o mais constante possível (variações de cerca de 2tf).

Baterias de esteios

Fogueiras

Vem sendo substituídas por fogueiras flexíveis, preenchidas

Enchimento

Suporte auto-marchante

suportes hidráulicos auto-marchantes.

• principais vantagens - pequena convergência, possibilitam alta produção, segurança na frente de trabalho, alta eficiência;

• desvantagens - altos custos de investimento e de manutenção, necessidade de mão-de-obra qualificada, admitem pequenas variações na espessura da camada lavrada.

Suportes hidráulicos auto-marchantes

Dificuldadesminas de fosfato (Tunísia)• uso e manutenção tem efetivo numeroso e

mal formado, • dificuldades de comunicação, • más condições do local de trabalho ->

baixa produtividade, paradas.

Lavra por longwall

Exemplos de aplicaçãoCambotas: Mina da Caraíba, cobre (BA) – Silva, G. E.

(1993).

Sistema de suporte em mina de carvão na Espanha, lavrada por longwall.

• Frente controlada por suportes hidráulicos e fogueiras de madeira.

• Camada de 3,5m espessura e 30º inclinação. • Ensaios de laboratório e testes de campo foram

realizados, como da chapa de apoio e de carga de penetração.

• Dados trabalhados no FLAC para determinar a máxima pressão suportada, a densidade de instalação.

(GONZALEZ-NICIEZA, C. et al., 2008)

QUADROS E ARCOS

• Nos trabalhos subterrâneos com desenvolvimento linear (poços, galerias, rampas), a sustentação provisória descontínua é proporcionada, além dos esteios e pilhas, por quadros e arcos, que são instalados, via de regra, com seus planos situados normalmente ao eixo da escavação.

• Cambotas – em túneis civis e galerias e rampas em lavras por câmaras e pilares (LAMIL), sublevel stoping (Caraíba), sublevel caving (Ipueira) e longwall.

Arco deslizante, de atrito ou TH (Yielding arch)

• Arco útil para suportar efeitos de rock burst que ocorrem em minas subterrâneas e túneis.

• Arco com seção em U, curvado, provido em ambas as extremidades de peças deslizantes.

Arcos deslizantes (yielding archs)

• Superposição inicial de 40cm;

• Aperto inicial adequado nas superposições;

• Disposição das peças em função da direção preferencial de tensões;

• Deslizamento e aumento da estabilidade com diminuição do comprimento total do arco.

Razão na distribuição de tensõesentre quadros e arcos típicos

AncoragensIntrodução rígida (fixação) de uma barra de aço (tirante ou

parafuso) ou cabo de aço, em um furo previamente executado através das camadas adjacentes à escavação, com o preenchimento ou não do espaço anular entre a barra e a parede do furo com argamassa de cimento não retrátil ou com resina.

Os tirantes podem ser de teto, soleira ou de parede.

Tirante;Chumbador;Cavilha.

Técnicas de sustentação em escavações subterrâneas: grande evolução nos últimos anos, dada a necessidade de estruturas cada vez mais baratas, resistentes, de fácil instalação e que apresentem uma redução da área escavada.

Ancoragens

Tendências mais modernas de atirantamento:

• tirantes ancorados com cartuchos de cimento ou de resina;

• o sistema “cable bolt”;• tirantes associados a concreto projetado e/ou tela

metálica (“concreto reforçado”), exercendo, neste caso, função de suporte e revestimento.

• Combinação de atirantamento e concreto reforçado - método de suporte mais versátil

• combinação de ancoragens (parafusos ou cabos) com “straps”.

Ancoragens (parafusos e cabos)

Ancoragens internas: sistema que mais se aproxima das características ideais – • fáceis de serem instaladas, • custo relativamente baixo, • redução significativa da seção escavada, facilitando o

tráfego de homens e máquinas e a ventilação.

Iniciativas visando o aperfeiçoamento da técnica das ancoragens e minimização dos custos -- > diminuição do ciclo operacional e aumento da recuperação na lavra.

Curva característica ideal de uma ancoragem (Stillborg, 1994).

AncoragensHistórico: 1872 - em Wales, na Grã-Bretanha

Comportamento estrutural:

• inicialmente, agir infinitesimalmente como rígido, afim de atrair carga e, com isto, ajudar a manter a integridade do maciço rochoso.

• assim que a carga sobre a ancoragem se aproxima de sua resistência à tração limite, ela deve acomodar grandes deformações sem se romper ou diminuir sua capacidade de suporte.

Tipos de Ancoragem

• Coluna total• Puntual

• Mecânica• Com argamassa (cimento ou resina)

• Com protensão• Sem protensão

• Parafuso: até 3,2 m• Cabos: comprimentos maiores

.

Principais sistemas de ancoragem

P ara fu s od e C u n h a

P ara fu s o d ec oq u ilh as

A n c orag emd e P on ta

P ara fu s o"s p lit s e t"

P ara fu s o"s w e llex"

P ara fu s o"w orley"

A n c orag em emC o lu n a To ta l

A N C O R A G E MM E C Â N IC A

A n c orag em c omres in a (a tivo )

A n c orag emd e P on ta

A n c orag em c omres in a (a tivo /p as s ivo )

Ancoragem comcim ento (pass ivo )

c ab leb o lt

A n c orag em emC o lu n a To ta l

A N C O R A G E MQ U Í M IC A

A N C O R A G E N SIN TE R N A S

Ancoragem mecânica

- Parafuso de coquilhas expansíveis

- Parafusos de atrito

• Split set (cavilha)

• Swellex (tirante expansivo)

• Worley

Diagrama do Swellex com placa de apoio (rocscience, 2007)

Split-set

TIRANTES ANCORADOS COM CARTUCHOS DE CIMENTO

• Uso de cartuchos de cimento -- > dificuldades na injeção da argamassa no furo, após colocação do tirante, no método convencional.

• Cartucho é fornecido na forma de um pó pré-dosado à base de cimento, envolvido por uma película especial e permeável.

• Basta submergi-lo em água pelo tempo necessário para que o cimento absorva água suficiente para formar uma argamassa tixotrópica e isenta de retração.

Limitações: • o tempo de cura é de duas horas;• a necessidade de armazenamento adequado dos cartuchos;• o tempo de estocagem dos cartuchos é limitado (6 meses).

Ancoragem com cartuchos de cimento

Vantagens relativas: • capacidade de ancoragem de três a cinco vezes maior

do que a ancoragem mecânica puntual do tipo “split-set”;• diâmetro do furo para instalação, no mínimo, 20% menor

do que exigido pelo “split-set” (economia na furação);• instalação sem grande rigor no controle do diâmetro do

furo;• barra de aço utilizada fica protegida da corrosão;• não é afetada por vibrações ou choques;• os tirantes, uma vez atingido seu tempo de cura, podem

ser protendidos em caso de necessidade;• não implica alteração na rotina dos trabalhos

subterrâneos.

PINOS DE MADEIRA (“DOWELS”), COM INJEÇÃO DE RESINA

Aplicados em lavra por “longwall” de carvão para estabilização das laterais ou do teto.

Furos têm comprimento até 16 m e os pinos têm diâmetro de 36mm.

A resina é injetada a uma pressão de 14 a 21 kgf/cm2.

Permitem o corte posterior pela cortadeira, não apresentando inconveniência ao desmonte

Cable bolt

Emprego de cabos como um sistema de suporte tem sido testado extensivamente nos últimos anos, mostrando ser efetivo onde métodos mais tradicionais não apresentam bons resultados.

Método combina dois fatores:• a necessidade prática de comprimentos maiores

de suporte;• a necessidade de se colocar um suporte, tão

logo quanto possível, após a lavra ou abertura das escavações.

Cable bolt• lavra por corte e enchimento, por recalque, na lavra por

subníveis, suportes de paredes de escavações em alargamentos abertos (veios estreitos) e para controle de faces de talude em minas a céu aberto.

• cabos de aço, diâmetro de 5/8" a 1" e de comprimento superior a 3m, existindo casos de aplicação de cabos com mais de 20m .

• Ancoragem em coluna total, com injeção, após a colocação do cabo,

• graute - argamassa especial, à base de cimento, fluida, de pega rápida, autoadensável e não retrátil.

• Extensão do cabo vai normalmente 3m além das áreas instáveis;

• Aplicação manual ou mecanizada.

Cable bolt

Vantagens:• custo relativamente baixo, mesmo se

considerando o custo com brocas de perfuração;

• elevada capacidade de ancoragem (superior a 17 tf, na maioria das situações);

• elevada resistência à corrosão;• pode ser instalado em qualquer comprimento;• pode ser instalado em aberturas provisórias ou

permanentes, estreitas e de pequenas alturas.

Métodos manuais de instalação de cabos de ancoragem

Cable boltCable bolt no Canadá• Início nos anos 60, incremento nos anos 80• Vantagens: permitem suporte longo, instalação em áreas de

altura limitada (até 1,8m)

• Pesquisa em 1992:• 1992 - 42 de 71 minas utilizavam furos longos (60%); 52

minas utilizavam cable bolts (70%), 62 usavam coquilhas (80%),

• método mais usado long hole*; maioria da produção room and pillar

• 89% das minas com procedimentos escritos, 73% com equipes específicas para cable bolt

• Maioria das minas que usam cabos: produção de 1000 a 4000t/dia; 80% avaliavam a técnica como satisfatória

• Custo de U$ 23 +-6,6/m (perfuração e instalação)

Cable bolt no controle da diluição

• Mineração Novo Astro (Lacourt, 2007):Uso na lavra de veios estreitos – open stopes –- cabos de

4 a 8m de comprimento;

• Mina Pyhasalmi – sublevel stoping (pilares)Suporte no contato minério-estéril por cable bolt permitiu à

mina alcançar uma diluição de apenas 4%.

• Kid Creek – sublevel stopingCabos diminuiram movimentação no maciço e limitaram

diluição (Stewart, 1981)

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Biron, C.; Ariôglu, E. 1983. Design of Support in Mines. Jon Wiley and Sons.

• Brady & Brown. 1985. Rock Mechanics for Underground Mining.(ou 2004).

• Engineering and Mining Journal, set/2007• Hoek, E.; Kaiser, P. K.; Bawden, W. F. Support of

Underground Excavations in Hard Rock. Balkema. Rotterdam. 1995.

• Hoek, E. & Wood, D. F. Rock Support. In: Mining Magazine. 1988.

• Hoek, E. & Brown, E. T. Underground Excavations in Rock. London. 1980.

• Jeremic, M. L. Ground Mechanics in Hard Rock Mining. 1987.

• Hennies, W. T.; Ayres da Silva, L. A. Abertura de Vias Subterrâneas. EPUSP. 1995.

• Silva, J. M. et alii. Tendências no atirantamento subterrâneo. Brasil Mineral, dez/1998.

• Silveira, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP.