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“ELABORAÇÃO DE CARTAS GEOTÉCNICAS PARA
OPERACIONALIZAÇÃO DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS “
ESTUDO DE CASO – MINA DE CARVÃO DE
EL HATILLO - COLÔMBIA
Geotecnia El Hatillo
Agenda
i. Objetivo, premissas e dificuldades;
ii. Aspectos geográficos;
iii. Geologia – Corredor de El Hatillo;
iv. Estudos geotécnicos:
- Programa de investigação geotécnica;
- Programa de ensaios laboratoriais;
- Modelo geomecânico, parametrização e modelos de cálculo;
- Resultados : Cartas geotécnicas, setorização e seções típicas.
v. Operacionalização da cava;
vi. Considerações finais.
Geotecnia El Hatillo
Objetivos, premissas e dificuldades
Objetivo:
- Elaborar cartas geotécnicas para o dimensionamento da cava;
- Viabilizar a operacionalização e o sequenciamento da cava.
Premissas e dificuldades:
- Respeitar não apenas o
ângulo global dos Taludes
anteriormente definido para a
geração da cava matemática,
mas também o detalhamento
geométrico da mesma, banco
a banco;
Geotecnia El Hatillo
Premissas e dificuldades:
- O ângulo de face do banco deve ser paralelo ao acamamento, evitando cortar
os mantos de carvão ou o plano dominante de estratigrafia;
- A calibração do modelo de cálculo para o dimensionamento dos bancos deu-se
a partir da observação de campo e por retroanálises de eventos instáveis;
- O desenvolvimento longitudinal de um determinado banco deve sempre que
possível acompanhar a direção das camadas (i.e. strike), evitando desta forma,
alternar ou cruzar a estratigrafia ao longo da escavação deste talude. Caso não
seja possível, mudanças ortogonais devem ser projetadas.
Objetivos, premissas e dificuldades
Geotecnia El Hatillo
Aspectos geográficos
- A Mina de Carvão de El Hatillo foi adquirida pela VALE em 2009, antes de
propriedade da Empresa Mineradora ARGOS;
- O limite de concessão é de 9.638 hectares.
- Localiza-se à 1.100 km
a nordeste de Bogotá,
capital da Colômbia,
dentro do departamento
de Cesar, jurisdição do
município de El Passo,
pertencente à cidade de
La Loma.
Geotecnia El Hatillo
Geologia – Corredor El Hatillo
Geologia regional:
- Três grandes estruturas de dobramentos regionais podem ser identificadas,
sendo os Sinclinais Del Descanso, La Loma e El Boquerón, estando estas,
separadas por falhas reversas de direção NE-SW;
- Estas grandes dobras se caracterizam como as estruturas de interesse, sendo
o sinclinal de La Loma a dobra que se situa dentro dos limites da área de estudo;
- O topo deste sinclinal é que é considerado o ponto de interesse para a
exploração de carvão.
Geotecnia El Hatillo
Modelo estratigráfico:
O modelo estratigráfico pode simplificadamente ser separado em duas
Formações Geológicas (Formação Cuesta e Formação Cuervos). A
Formação Cuesta formada por solos sedimentares localiza-se sobre a
Formação Cuervos que engloba os mantos de carvão e as intercalações
de Arenitos, Siltitos e Argilitos.
A campanha de prospecção da VALE identificou 69 mantos de carvão em
toda a propriedade, e deu-lhes nomes numéricos que variam de 80 (no
ponto mais baixo) a 310 (no ponto mais alto). Destes 69 mantos, 19 são
considerados pela VALE como economicamente explorável, por questões
de qualidade e geometria (> 0,5m de espessura).
Geologia – Corredor El Hatillo
Geotecnia El Hatillo
Modelo estratigráfico:
Nomenclatura adotada para definição geométrica:
- Footwall - Talude de Lapa;
Geologia – Corredor El Hatillo
- Highwall - Talude de Capa;
- Endwall - Talude de fechamento.
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Programa de investigação geotécnica:
- A definição da escala do mapeamento foi definida com base na litologia mais evidente
e a partir da adoção de determinados critérios estruturais;
- O número e a extensão das “janelas” de mapeamento relacionam-se diretamente com
o grau de heterogeneidade e estruturação do maciço rochoso e com o grau de precisão;
- Em respeito à estas premissas foram definidas 221 janelas de mapeamento com
dimensões de 20x16m, distribuídas no Talude de Capa, Talude de Fechamento e no
Talude de Abertura do Pit, com um levantamento global de 3.400 estruturas;
- A estrutura do maciço rochoso que define as intercalações (“interburden”) consiste em
acamamentos cruzados compostos massivamente por arenitos sobrepostos por finas
camadas de siltitos e argilitos medianamente alterados.
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Parameter Weight Description consideredRock Mass Rating System
(After Bieniawski 1989)Rating
1 < 20 mm
2 20 - 60 mm
3 60 - 200 mm 60 - 200 mm 8
4 200 - 600 mm 200 - 600 mm 10
5 600 - 2000 mm 0.6 - 2.0 m 15
1 < 1m < 1m 6
2 1 - 3 m 1 - 3 m 4
3 3 - 10 m 3 - 10 m 2
4 10 - 20 m 10 - 20 m 1
5 > 20 m > 20 m 0
1 < 1 mm 0.1 - 1 mm 4
2 1 - 3 mm 1 - 5 mm 1
3 3 - 20 mm
4 20 - 100 mm
5 > 100 mm
1 Rough surface, irregular appearance scaled Very rough 6
2 Rough surface, regular appearance scaled Rough 5
3 Very smooth scaled surface
4 Irregular wavy rough surface
5 Undulating smooth surface
6 Very smooth undulating surface
7 Irregular plane surface
8 Smooth plane surface
9 Very smooth plane surface
1 AG (Clay) Soft filling < 5 mm 2
2 CB (Carbonate) Hard filling < 5 mm 4
3 Unfilled None 6
1 Unweathered Unweathered 6
2 Slightly weathered Slightly weathered 5
3 Moderately weathered Moderately weathered 3
4 Highly weathered Highly weathered 1
5 Decomposed Decomposed 0
6 Residual soil - -
Infill
weathering
degree
Spacing
< 60 mm 5
> 5 mm 0
Persistence
Aperture
Infilling
Roughness
Slickensided
Smooth 1
0
Slightly rough 3
Classificação geomecânica do maciço rochoso:
Para classificação do maciço rochoso adotou-se o RMR (Bieniawski, 1989) e o GSI (Hoek
& Brown, 1997) para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso.
Correlação entre o levantamento de campo e o RMR89
HISTOGRAMAS
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Classificação geomecânica do maciço rochoso:
Histogramas das propriedades geomecânicas do maciço rochoso empregues na
determinação do RMR.
Acamamentos
Descontinuidades
0
5
10
15
20
25
30
35
0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100
Rela
tive F
requency (%
)
RQD intervals
RQD - EHCM
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Programa de ensaios laboratoriais:
Material Domínio UCS med.
(MPa)
Categoria de
resistência
Arenitos
Siltitos
Argilitos
Intercalações
(“interburden”)
- 32 ensaios -
28.9
17.2
10.8
Médio
Médio
Fraco
Mantos de carvão* Carvão 8.0
Muito Fraco
* Estimado
Material Domínio g med.
(kN/m3)
Arenitos
Siltitos
Argilitos
Intercalações
- 32 ensaios -
24.8
24.7
23.7
Mantos de carvão* Carvão 13.0
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Validação dos resultados:
Estimativa dos valores de cálculo – Resistência rocha intacta : UCS (sci)
Elevada dispersão dos
resultados
Cálculo do UCS com base
no valor médio do peso
específico
Definição de um intervalo
de interesse
Geotecnia El Hatillo
Domínio Mínimo
(MPa)
Máximo
(MPa)
UCS Calc.
(MPa)
UCS pond.
(MPa)
Arenitos 2.5 101.0 25.0
17.0 Siltitos 3.0 48.0 17.0
Argilitos 2.5 20.0 11.0
Carvão 8.0
Valores obtidos e empregues
Estudos geotécnicos
Validação dos resultados:
A resistência exibida pelos materiais e contatos segundo a direção dos acamamentos foi
caracterizada de acordo com o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, dado pelos seguintes
parâmetros e valores – c’ = 0 kPa e f’ = 20º. Estes valores foram obtidos através de
ensaios de cisalhamento direto executados segundo a direção dos planos de estratigrafia.
Resistência das descontinuidades:
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Modelo geomecânico : RMR89 e GSI
O maciço da mina de El Hatillo por ser um maciço de maior heterogeneidade estratigráfica,
exigiu uma abordagem inicial setorizada para sua classificação geomecânica. Após uma
avaliação dos resultados, decidiu-se pela homogeneização dos mesmos, em função da
frequência regular de ocorrência dos litotipos existentes.
Em função da complexa formação geológica e estrutural destes tipos de maciços, a definição
de um modelo geomecânico consistente não é uma tarefa fácil, quando comparados à
maciços menos brandos e mais homogêneos.
Geotecnia El Hatillo
Para o dimensionamento dos Taludes da Cava de Carvão de El Hatillo, foram adotadas as
seguintes etapas de estudo, após a caracterização geológico-geomecânica da área da
cava:
i. Definição de setores;
ii. Definição dos mecanismos de instabilidade críticos (nas escalas de bancada, inter-
rampa e global);
iii. Definição dos parâmetros geotécnicos de resistência dos maciços, materiais e
estruturas (acamamentos e descontinuidades);
iv. Definição dos métodos de análise para os mecanismos definidos;
v. Definição dos modelos de cálculos para os mecanismos e setores pré-estabelecidos;
vi. Compatibilizar os resultados das escalas de bancada, inter-rampa e global.
Estudos geotécnicos
Parametrização:
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Parametrização:
Para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso quando solicitado,
recorreu-se à dois critérios de ruptura – Critério de Hoek & Brown (HB) e Critério de Mohr-
Coulomb (MC), para caracterização da resistência.
Parâmetros de resistência segundo o critério de HB
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Parametrização: Parâmetros de resistência segundo o critério de MC
As técnicas de observação do desempenho de taludes existentes e retroanálises foram
aplicáveis para ajudar na definição dos mecanismos, bem como para validar os parâmetros
e os modelos de análises.
Geotecnia El Hatillo
- Para além do modelo geomecânico, outra etapa que requereu também um elevado grau
de refinamento técnico foi a elaboração dos modelos geotécnicos de cálculo com vistas à
definição da geometria dos taludes da cava à escala de bancada, inter-rampa e global;
Estudos geotécnicos
Modelos de cálculo:
- A metodologia utilizada foi a baseada na Teoria de Equilíbrio Limite, a partir da utilização
do programa de cálculo Slide, versão 5.0, da Rocscience;
- Foi adotado o Método de Morgensten-Price para a análise das superfícies de
escorregamento. Este modelo considera na definição do seu diagrama de esforços, a força
normal e tangencial e a resistência interfatias dada por uma função não-linear definida pela
tensão normal e pela resistência ao corte;
- Os modelos foram elaborados conforme o Talude e a escala consideradas.
Geotecnia El Hatillo
- Para o Talude de Lapa, os modelos em todos as escalas foram simulados a partir da
adoção de um modelo anisotrópico que considera a resistência do maciço rochoso na
direção oblíqua ao acamamento e a resistência das descontinuidades na direção paralela;
Estudos geotécnicos
Modelos de cálculo:
- Para a resistência oblíqua adotou-se os parâmetros segundo o critério de Mohr-Coulomb
que melhor se ajustou à envoltória de Hoek & Brown;
- Já para a resistência paralela ao acamamento, adotou-se os resultados obtidos a partir
dos ensaios de cisalhamento direto, anteriormente apresentados;
- O dimensionamento do Talude de Capa, considerou também a estruturação do maciço,
mesmo o mergulho dos acamamentos sendo inverso ao mergulho do Talude. Desta
forma, foi aceitável adotar um modelo de cálculo de resistência homogênea, definida
pelas propriedades resistentes do maciço rochoso.
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Modelos de cálculo: Talude de Lapa - “Footwall”
Escala: BANCO
Escala: BANCO
Escala: GLOBAL
Escala: GLOBAL
Modelo anisotrópico de resistência
Muito perturbado Medianamente perturbado
Estes fenômenos de instabilidade na sua maioria traduzem um mecanismo de
ruptura do tipo bi-planar, onde se inicia segundo o plano de estratigrafia e rompe
obliquamente na base do banco. Desta forma, os modelos de cálculo à escala de
bancada foram definidos por forma a possibilitar a ocorrência deste tipo de
mecanismo.
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Modelos de cálculo: Talude de Capa - “Highwall”
Escala: BANCO
Escala: BANCO
Escala: INTER-RAMPA
Escala: INTER-RAMPA Escala: GLOBAL
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Resultados: Cartas geotécnicas Talude de Lapa - “Footwall”
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
20 30 40 50 60 70 80
Dep
th (
m)
Dip angle (°)
Section 6
Section 7
Section 8
Section 9
Section 10
Section 11
Section 12
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 20 40 60 80 100
F.S
.
H (m)
Dimensionamento dos bancos
25°
35°
50°
60°
70°
80°
1.2
1.3
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
20 30 40 50 60 70 80
De
pth
(m)
Dip angle (°)
Section 6
Section 7
Section 8
Section 9
Section 10
Section 11
Section 12
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
H (
m)
Ângulo de face (°)
Dimensionamento dos bancos
Fs = 1.3
Fs = 1.2
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
F.S
.
Dimensionamento global do talude
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Modelo 1 Modelo 2
Modelo 1: H = 20 m Modelo 2: H = 20 m
L = 15 / 20 m L = 15 / 20 m
Primeiros 3 bancos de 20 m αf // ao acamamento
Rampas intermédias
αf // ao acamamento
Geotecnia El Hatillo
Estudos geotécnicos
Resultados: Cartas geotécnicas
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0 20 40 60 80 100 120
F.S
.
H (m)
Dimensionamento dos bancos 40°
50°
60°
70°
80°
Talude de Capa - “Highwall”
Ângulo de face
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 50 100 150 200
F.S
.
H inter-rampa (m)
Dimensionamento inter-rampa
43° (H = 40; α = 50°)
48° (H = 30; α = 60°)
50° (H = 40; α = 60°)
51° (H = 30; α = 65°)
55° (H = 30; α = 70°)
1.2
1.3
INTER-RAMPA - GEOMETRIAS RESULTANTES
Ângulo inter-
rampa (°)
Banco Número de bancos
Ângulo (°) Altura (m)
43° 50 40 4
48° 60 30 3
50° 60 40 3
51° 65 30 3
55° 70 30 2
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 50 100 150 200
F.S
.
H inter-rampa (m)
Dimensionamento inter-rampa 43° (H = 40; α = 50°) 48° (H = 30; α = 60°) 50° (H = 40; α = 60°) 51° (H = 30; α = 65°) 55° (H = 30; α = 70°)
1.2
1.3
0,8
1,0
1,2
1,4
35 36 37 38 39 40 41
F.S
.
Ângulo global (°)
Dimensionamento global do talude - Prof. 300 m
(1)
(2)
(3)
(1) Inter-rampa - 60m e bancos intercalados de 15 e 30m
(2) Inter-rampa - 60m e bancos intercalados de 10 e 30m
(3) Inter-rampa - 90m e bancos intercalados de 10 e 30m
Geotecnia El Hatillo
Operacionalização da cava
A operacionalização da cava final de El Hatillo respeitou alguns aspectos adicionais aos
normalmente considerados, quais sejam:
- Respeitar não apenas o ângulo global dos Taludes anteriormente definido para a geração da cava
matemática, mas também o detalhamento geométrico da mesma, banco a banco;
- Para o caso em estudo (EHCM), além das premissas geotécnicas de carácter puramente geométrico,
foi necessário também, respeitar o modelo estratigráfico exibido pela geologia regional;
- Para o estudo de rampas, avaliou-se a posição inicial e final das rampas de acesso da cava, levando-
se em conta a posição da britagem, massas de minério e estéril presas pelas rampas e o número de
“switch-backs”.
O processo de operacionalização originou uma perda de 7% de minério e um
acréscimo de 1% de estéril, resultando em uma relação estéril-minério (REM) de
aproximadamente 9,5 (m3/ton).
Geotecnia El Hatillo
Considerações finais
Relativamente aos estudos paramétricos efetuados com o objetivo de se construir cartas
geotécnicas que possam auxiliar a engenharia de curto e longo prazo na condução e
operacionalização da mina, respectivamente, algumas conclusões merecem ser destacadas:
i. O modelo estratigráfico regional condicionou a elaboração dos modelos de cálculo, bem como
os resultados obtidos;
ii. O mesmo modelo, influenciou ainda, na geometria global do Talude de Lapa, uma vez que os
bancos que o compõem foram projetados com geometrias variáveis;
iii. A adoção de modelos anisotrópicos para a simulação do comportamento mecânico do maciço
rochoso quando escavado, permitiu obter resultados numéricos bastante compatíveis com o
que se tem observado em campo;
iv. O Talude de Capa apresentou resultados bastante coerentes com o observado em campo,
mesmo adotando um modelo homogêneo isotrópico;
v. O presente trabalho, mesmo tendo que atender todas as restrições geológicas, geotécnicas e
operacionais que uma mina de carvão apresenta, teve como resultado final um cenário técnico-
econômico dentro do que se previa e pretendia.