DEMIN/EM/UFOP MIN 746 Estabilidade de Escavações Subterrâneas

DEMIN/EM/UFOP
MIN 746
Estabilidade de Escavações
Subterrâneas
Prof. José Margarida da Silva
junho/2010

Escavações Subterrâneas

• Geomecânica
Sumário
• Mecânica das Rochas
• Definições e terminologia
• Tensões em maciços rochosos
• Impactos das escavações subterrâneas
• Suportes naturais e artificiais
• Monitoramento
• Seleção de suporte
• Referências Bibliográficas

Introdução: Geomecânica
• Estuda o comportamento de todos os
materiais presentes na crosta terrestre.
• Mecânica das Rochas: estuda o
comportamento dos maciços rochosos em
relação a forças externas; na mineração:
escavações.
• Mecânica dos Solos, Geologia de
Engenharia,...

Introdução
Trabalhos em minas subterrâneas - grandes
aspectos de segurança:
• segurança estrutural (técnica) das aberturas,
envolvendo tetos, pisos, paredes e pilares;
• segurança ambiental, que se refere à criação e
manutenção de um ambiente de trabalho
confortável e adequado à execução das tarefas
pertinentes ao empreendimento.
• A preocupação ambiental, em sentido amplo,
inclui a preocupação com a segurança.

Princípios éticos fundamentais
• Segurança,
• Economia,
• Bom Aproveitamento das Jazidas.

Mecânica de Rochas
• A Mecânica de Rochas está relacionada com as
propriedades mecânicas e o comportamento
das rochas, isto é, como a rocha responde
quando sujeita a um campo de forças.
• Este campo pode ser induzido pela escavação
de uma abertura produzida por meios
mecânicos.
• Isto é de fundamental importância em
mineração porque a rocha é o principal material
de construção e também o principal produto do
processo de escavação.

Mecânica de Rochas
• Engenharia de Minas: interessada no comportamento
mecânico do maciço rochoso quando se realizam
escavações no mesmo, isto é, parte deste é aliviado.
• Engenharia Civil: interessada nas modificações que se
introduzem quando o maciço é carregado pela presença
de uma barragem, edifício etc.
• Esses problemas quase opostos podem ser
equacionados conforme:
• quais as tensões atuantes no maciço original?
• quais as alterações das tensões introduzidas pela
escavação ou obra?
• qual o efeito das condições geológicas mais complexas?

Mecânica de Rochas
• A rocha constitui um caso particular de material
de engenharia.
• Nas construções com materiais artificiais, a
resistência dos materiais é composta em função
das necessidades de resistência aos esforços
que lhe serão aplicados.
• Já na rocha, a resistência lhe é intrínseca e as
tensões existem independentemente de outras
cargas externas que lhe sejam aplicadas.
• Diante desta limitação e mais os custos
proibitivos em que incorreria obter-se um projeto
de construção pronto na prancheta, existirão
fases de projeto, e mesmo de produção, que
serão ajustadas à realidade do maciço rochoso.

Mecânica das Rochas
Estabilidade das escavações subterrâneas:
• se os maciços rochosos têm determinadas
características de resistência;
• se as aberturas possuem certas formas
geométricas e não excedem determinadas
dimensões.
Mesmo em tais casos, deve ser considerado:
• a expansão da rocha no sentido dos vazios,
• devido às respectivas características reológicas,
as deformações correspondentes processamse,
em grande parte, ao longo do tempo.

Mecânica das Rochas
• Ações de suportes artificiais e de revestimentos
das cavidades podem ser muito variadas,
dependendo dos tipos de solicitações que sobre
eles exercem os terrenos.
Solicitações:
• que resultam de simples ações de peso do
material descomprimido, correspondente às
zonas aliviadas de tensões da vizinhança dos
vazios – em geral, susceptíveis de serem
controladas,
• que provêm diretamente dos campos de
tensões instalados - controladas, em regra,
quando os campos de tensões, instalados nos
terrenos antes da abertura das cavidades, têm
intensidades reduzidas.

Mecânica das Rochas
• Indispensável conhecimento do intervalo
de tempo durante o qual se pretende que
escoramentos ou revestimentos exerçam
convenientemente suas funções.
• Desse tempo depende, geralmente, a
importância da deformação dos terrenos a
que se aplicam e, portanto,a intensidade
máxima das reações que têm de suportar.

Definições; terminologia
• “escoramento” ou
“sustentação” -
engloba uma série
de técnicas que
utilizam elementos
de madeira,
metálicos ou de
concreto (armado ou
não), destinados a
aumentar a
segurança de
cavidades.

Definições; terminologia
Sistemas de escoramentos:
• desde simples elementos isolados
(destinados a segurar blocos
individualizados) até
revestimentos completos da
periferia dos vazios (se a rocha
que os circunda é pouco coerente
ou se encontra muito fraturada).
• Rock support: elementos externos;
• rock reinforcement: elementos
internos.

Estrutura
Terminologia
todo arranjo espacial de elementos físicos,
compostos de qualquer material, capaz de
resistir a esforços solicitantes em um horizonte
previsto de tempo, com um dado fator de
segurança e sofrendo deformação entre
limites pré-determinados;

Terminologia
Dimensionamento de uma estrutura:
definição das dimensões elementos que a
compõem, para que possam resistir aos
esforços solicitantes, conhecendo-se:
• os valores destes esforços,
• os limites aceitáveis de deformação,
• o tempo previsto de sua utilização,
• o fator de segurança desejado ou
considerado.

Tensões em maciços rochosos
• Maciço rochoso: rocha + descontinuidades
+ água.
Tensão:
• relacionada à tendência de deslocamento
relativo das partículas de um corpo, em
função de solicitações externas;
• grandeza que depende do plano
considerado;
• dimensionalmente, é igual a pressão.

Tensões
• Maciços rochosos: comportam-se como
descontínuos; meios anelásticos.
• Müller (1963): redução de até 1/30 na
resistência da rocha devido à existência
de planos de fraqueza.

Estado de tensões
• O estado de tensões no interior de um
maciço rochoso varia, geralmente, de
ponto a ponto: valor e direção das
componentes principais que o definem.
• maciço virgem: não está submetido
somente a esforços verticais, mas a um
sistema triaxial de tensões.
• antes de ser escavado: tensões naturais
ou tensões “in situ”.

Tensões induzidas
• Escavação: ocorre modificação no estado natural de
tensões, com redistribuição de tensões no maciço
circunvizinho (tensões induzidas) .
• Limite: “arco de pressão”.
• Ruptura: no caso geral, devida a esforços de flexão ou
de cisalhamento, porque a resistência da rocha a estes
tipos de solicitação é muito menor do que à
compressão.

Tensões em maciços
• Maciço regular e homogêneo: pode ser adaptado a
modelo clássico da Mecânica de Rochas (fornece, pelo
menos, o sentido e a ordem de grandeza dos
fenômenos); o mais simples é o modelo elástico.
• Rocha não homogênea: pode se tentar assimilar o
maciço rochoso a um outro modelo teórico (plástico,
elasto-plástico etc).
• modelamento matemático ou modelagem numérica.

Regra de Heim
• Heim, em 1912: maciços rochosos seriam
incapazes de suportar grandes diferenças de
tensões.
• Associando-se aos efeitos de deformação
dependentes do tempo, levaria a um campo de
tensões naturais, onde as componentes vertical
e lateral tenderiam a se igualar (campo uniforme
de tensões), ao longo do tempo geológico.
• Hoek & Brown (1980): sugestão de Heim é
aplicável a rochas incompetentes, como é o
caso de carvão e evaporitos.

Impactos ambientais
Impactos ambientais da lavra
subterrânea:
• impactos no depósito mineral e rochas
encaixantes,
• impactos nas escavações no subsolo,
• impactos na superfície do terreno.
• impactos lavra subterrânea-drenagem
ácida, subsidência, rock bursts.

Drenagem Ácida
Lavra de materiais sulfetados - pode
ocasionar formação de águas ácidas,
pela oxidação dos sulfetos; estas
águas devem ser tratadas e
neutralizadas (aumento do pH),
antes de serem lançadas ao meio
ambiente.
Uma das formas de mitigação:
produção de ácido sulfúrico.

Subsidência
• Subsidência: conjunto de movimentos
descendentes do maciço rochoso, dependente
do tempo, em direção ao centro de uma
abertura subterrânea;
• deve-se principalmente à tendência das rochas
de preencherem os vazios criados pelas
aberturas, principalmente após o seu colapso.
• É um problema potencial que, não controlado,
pode levar a um dano superficial de grande
escala.

Subsidência contínua

Subsidência descontínua

Subsidência
• Para que ocorra subsidência na superfície, é
necessário que determinadas dimensões
críticas das aberturas subterrâneas sejam
ultrapassadas;
• A região afetada pode ser esquematicamente
relacionada a um tronco de cone invertido que
se alarga do interior do maciço rochoso para a
superfície.
• A forma na superfície é geralmente uma elípse,
com eixo maior paralelo à direção do avanço da
lavra.

Subsidência contínua para camada horizontal
a = ângulo de máxima influência

Perfil de subsidência
A profundidade e a extensão da bacia de
subsidência dependem:
• da potência e do mergulho do corpo lavrado,
• da profundidade e das dimensões da
escavação,
• dos tipos de suporte empregados,
• da velocidade de avanço das frentes de lavra,
• do tempo,
• do condicionamento geológico presente no
maciço rochoso.

Subsidência máxima
e Largura crítica
Peng (1992) relaciona a subsidência máxima (S), a
potência do corpo (m), o fator de subsidência (a) e o
ângulo da direção da abertura com a horizontal (a):
Largura crítica:
S = a m cos a
Se cos a = 1 -------------S = a m
w c = 1,4 h
h é a profundidade de trabalho.

Mina de Germunde, Portugal

Mina de Kiruna
(Suécia)

Sismicidade em minas
Dos 5 tipos de atividade humana que podem
afetar a sismicidade, três estão ligados à
mineração: explosão subterrânea, lavra de
pedreiras, extração de líquidos (obsis.unb.br,
2009).
Algumas minas começaram a enfrentar este
problema, realizando trabalhos de
monitoramento contínuo no entorno da mina.

Rock bursts
• À medida que as escavações subterrâneas
atingem determinadas dimensões críticas, as
intensidades dos novos campos de tensões que
se instalam nos seus contornos podem exceder
os limites de resistência da rocha, levando o
maciço à cedência ou ruptura, do que resultarão
deformações locais e a correspondente
dissipação das mesmas.
• Fenômenos semelhantes a céu aberto
(Pomeroy et al, 1976; Cook, 1976;Silveira,
1987)

Caracterização do fenômeno
• Quando a dissipação (liberação) de energia
armazenada num maciço rochoso se processa
de maneira relativamente rápida e violenta, o
fenômeno é designado, genericamente, por
“explosão de rocha”.
• Este fenômeno se caracteriza pela influência
acentuada de ações de corte e ocorre, quando
da abertura de escavações subterrâneas.

Efeito de “escorva”
O “efeito de escorva” pode se originar através de:
• ondas de choque decorrentes de detonação de
explosivos;
• elevação de temperatura das rochas;
• presença de água;
• ruptura de um suporte;
• explosão de gases;
• execução de uma abertura;
• as próprias ondas de uma outra explosão de
rocha.

Projeto de suporte
Escolha do suporte
fatores fundamentais:
• custo,
• comportamento do subsolo,
• método de lavra a ser empregado.
O principal objetivo no projeto de um suporte
subterrâneo é ajudar o maciço a se autosuportar.

Classificação de estruturas
Suporte: conjunto de elementos resistentes que se
empregam para controlar a deformabilidade e
contrariar os fenômenos de ruptura localizada em
aberturas subterrâneas.
• provisórios ou definitivos;
• contínuos ou descontínuos;
• compressíveis ou praticamente indeformáveis
(rígidos).
Exemplos de suportes descontínuos:
pilares naturais,
esteios,
pilhas,
quadros,
arcos (cambotas) e, de certa forma, as ancoragens.

Revestimentos
Revestimento: obra de recobrimento de zonas
mais ou menos extensas da periferia das
escavações, com finalidade de impedir o
desprendimento de pequenos blocos de rocha e
de regularizar e mesmo impermeabilizar os seus
contornos.
Exemplos de suportes contínuos: revestimento
contínuo de galeria em maciço fraturado por
concreto projetado ou pré-moldados de
concreto armado; pranchões de madeira (entre
quadros ou arcos); concreto projetado e tela
(associados a tirantes); quadros justapostos;
chapas unindo quadros, com a estrutura
resultante exercendo em alguns casos funções
de suporte e revestimento.

Tratamento ou reforço
Tratamento ou reforço: técnica de consolidação
do maciço rochoso pela melhoria de sua:
• resistência,
• deformabilidade
• e/ou impermeabilidade.
Exemplos: Injeções, congelamento de terrenos
e, para alguns, as ancoragens.
Últimas décadas: aperfeiçoamento das
ancoragens, substituição progressiva da
madeira e outras técnicas ou materiais;
aparecimento dos cartuchos, “cable bolt” e
associação de concreto reforçado, parafuso
e telas.

Pilares naturais
Dimensionamento
de pilares e das câmaras
(Hoek e Brown, 1980)

Tirante expansivo Swellex
• Características: ancoragem interna, mecânica,
coluna total, ativa;
• Vantagens: alta capacidade de ancoragem,
rapidez e simplicidade de instalação, dá suporte
imediatamente após a instalação, provê alguma
protensão;
• Desvantagens: requer dispositivos para
instalação, a corrosão é crítica, custo relativo
elevado;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem –
13tf; diâmetro do tubo- 26mm; diâmetro do furo
– 33 a 39mm; comprimento- 1,5 a 8m, pressão
da água – 300bar (~ 306kgf/cm 2 ).

Parafuso expansivo Hydrabolt
• Características: ancoragem interna, mecânica,
coluna total, ativa;
• Vantagens: média capacidade de ancoragem,
instalação é feita com equipamento próprio da
mina, ganhando-se em rapidez;
• Desvantagens: corrosão é crítica, menor faixa
de comprimentos disponíveis;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – 7
a 11tf; diâmetro da haste – 16, 17,19,21,25mm;
diâmetro do furo – 33 a 39mm; comprimento-
1,5 a 4m.

Cavilha Split-set
• Características: ancoragem interna, mecânica,
coluna total, passiva;
• Vantagens: simplicidade e facilidade de
instalação, dá suporte imediatamente após a
instalação;
• Desvantagens: baixa capacidade de
ancoragem, não provê protensão, diâmetro do
furo é crítico, a corrosão é crítica, custo relativo
elevado;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem –
3,8 a 5,5tf; diâmetro do tubo – 32 a 41mm;
diâmetro do furo – 33 a 39mm; comprimento-
0,4 a 3,6m.

Split-set

Tirante com cimento
• Características: ancoragem interna, química,
coluna total, passiva;
• Vantagens: custo moderado (equivale ao splitset),
alta capacidade de ancoragem,
simplicidade de instalação, não há perda de
protensão com vibrações de detonações, alta
resistência à corrosão, facilidade de
preparação da barra, não exige rigor no
diâmetro do furo;
• Desvantagens: tempo de cura maior que 2h,
necessidade de armazenagem adequada,
tempo de estocagem limitado;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem –
acima de 14tf; diâmetro da haste – a partir de
13mm; diâmetro do furo – 32 a 38mm;
comprimento- variável.

Tirante com resina
• Características: ancoragem interna, química,
coluna total, ativa ou passiva;
• Vantagens: flexibilidade, alta capacidade de
ancoragem, não há perda de protensão com
vibrações de detonações, alta resistência à
corrosão, suporte imediato (PUR/PR);
• Desvantagens: custo relativo alto, requer
treinamento prévio de mão-de-obra, necessita
de armazenagem adequada, tempo de
estocagem limitado;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem –
acima de 17tf; diâmetro da haste – 17 a 25mm;
diâmetro do furo – 26 a 34mm, comprimento –
variável; pegas: PUR, PR, PM, PL.

Cable bolt
• Características: ancoragem interna, química, coluna
total, passiva ou ativa;
• Vantagens: custo baixo, alta capacidade de ancoragem,
elevada resistência à corrosão, variedade de
comprimento, de altura da escavação, do tipo de
escavação – temporária ou permanente;
• Desvantagens: tempo de cura 24h, tensionamento não é
simples;
• Dados técnicos: capacidade de ancoragem – acima de
17tf; diâmetro do cabo – ¾” a 5/8”; diâmetro do furo – 40
a 45mm; comprimento - variável.

Aplicação de cable bolt prévio à lavra - a colocação em
alargamentos de corte e enchimento na Mina Campbell
(Borchier e outros, 1992 apud Hoek e outros, 1995).

Cabos com straps

Instalação de cabo mecanizada

Classificações geomecânicas
• De uma forma geral, dão, em função da classe definida
para o maciço, a partir de determinados parâmetros,
indicativos do vão máximo sem suporte, do tempo de
auto suporte e da estrutura mais adequada de
sustentação.
• O objetivo é processar informação sobre propriedades
do material rochoso, características de descontinuidades
e geometria de escavação para obter valores
representativos que propiciem uma base racional para
decisões acerca da engenharia de rochas.
• Os sistemas mais utilizados são o RMR - Rock Mass
Rating, proposto por Bieniawski (1973) e o Q,
desenvolvido por Barton e outros (1974).
• Bieniawski (1989): descrição detalhada de outros
sistemas de classificação de maciços rochosos.
• Modificações posteriores e adaptações locais.

DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES
• O DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES EM MINAS
NAO TEM MERECIDO O DESENVOLVIMENTO
TEORICO E PRATICO DESEJAVEL EM MUITAS
ABORDAGENS CORRENTES DA MECANICA DE
ROCHAS.
• SEUS PRINCIPIOS DE DIMENSIONAMENTO E
ESCOLHA ESTAO, NAO RARAMENTE, CONTIDOS
EM MANUAIS OU PROGRAMAS FECHADOS DE
COMPUTACAO QUE SAO, MUITAS VEZES,
CONSULTADOS SEM OS NECESSARIOS CRITERIOS
TEORICOS QUE DEVEM BALIZAR A DECISAO
TECNICA DO ENGENHEIRO.

Abordagens de dimensionamento
• Tempo de auto suporte (Barton);
• Malha de tirantes e cabos e comprimento
- Mathews – Potvin;
- Hutchinson – Diederichs (1986).

Conceitos
O que pode ser monitorado numa mina subterrânea:
• ruptura da rocha no contorno da escavação;
• movimento ao longo de uma descontinuidade;
• deslocamento relativo entre dois pontos no contorno da
escavação (convergência);
• deslocamentos no interior do maciço, fora do contorno
da escavação;
• deslocamentos da superfície (subsidência);
• mudança da inclinação de um furo (desvio);
• nível de água, pressões neutras;
• mudanças (variações) de tensões (num pilar, por
exemplo);
• pressões normais e de água no enchimento;
• deformação do material de enchimento;
• eventos sísmicos; velocidades de propagação de ondas.

Monitoramento
• Estudo de Caso - Mina Caraíba, Jaguarari (BA),
cobre
• destress blasting: alterações nos padrões de
furação, nos arranjos de furos, nos explosivos,
carregamento e detalhes do desmonte, que implica
transferência de carga para pilares adjacentes (De
la Vergne, 2000).
• Monitoramento microsísmico (Andrade et al, 2003)
- teve, entre 500 e 800m, tensões da mesma
grandeza de outras minas subterrâneas, com
profundidades entre 1.500 e 2.000m. Surgiram
desplacamentos.

Estudo de Caso - Caraíba
• Após estudos, foram implementadas
modificações no método de lavra,
monitoramento microsísmico de superfície e de
subsolo.
Introdução de:
• enchimento (pastefill),
• monitoramento topográfico a laser,
• aumento da mecanização e automação das
operações.
• Primeiros três meses – 2.237 eventos diversos;
• Desde a implantação - observados 2 eventos na
escala 2 ou 3 por ano, com lançamento de
material.

Subsidência (aluimento)
Fato essencial: qualquer ponto na
superfície pode continuar a subsidir por
um tempo ao longo da extração dentro
de uma área crítica abaixo deste ponto.
Além da “subsidência ativa”, pode haver
uma subsidência algo dependente do
tempo, devido a fenômenos como a
consolidação ou o comportamento
visco-elástico dos estratos, que
continuam a existir depois de o ponto
não estar tão distante da zona de
influência da face escavada
(“subsidência residual”).
Há de se prever então um monitoramento
dessa situação.

Arrancamento (Pull test)
• medição da
resistência da
ancoragem, através
de teste no qual o
deslocamento do
dispositivo de
ancoragem é medido
como função da
carga aplicada ao
tirante, o que resulta
na obtenção de uma
curva carga –
deslocamento;

• medição do
deslocamento
relativo entre um
ponto no interior
do maciço e um
ponto no
perímetro
escavado;
• aplicação de
extensômetros
simples ou
múltiplos.
Extensometria

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Brady e Brown. Rock Mechanics for Underground Mining. 2004.
Bise. Mining Engineering Analysis, p. 82-86. 2003.
Bieniawski, Z. T. Design Methodology in Rock Engineering. Balkema. 1992.
Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock. p.112 -
200.
Hoek et al. Support of Underground Excavations in Hard Rock, cap. 10.
1995.
Hudson e Harrison. Engineering Rock Mechanics. Pergamon. 2007.
Silveira, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP.
Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Underground
Construction.Balkema. 2004.
Chang-Yu Ou. Deep excavation. Taylor & Francis. 2006.