Esta dissertação constitui-se de um único volume, subdividido em sete capítulos. Ao capítulo de introdução, seguem-se cinco outros que desenvolvem o tema principal abordado, finalizados com um capítulo que traz as conclusões e sugestões de pesquisa complementares. Abaixo, segue uma breve apresentação dos assuntos expostos em cada um desses capítulos.
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Capítulo 1 – Introdução. Contextualiza a produção do mineral ouro na perspectiva
econômica das últimas décadas; faz as considerações iniciais do tema abordado; enfatiza a problemática relacionada à lavra subterrânea; relaciona a geotecnia e o modelamento numérico na avaliação do risco; explora os objetivos dos trabalhos de modelagem numérica a serem desenvolvidos; sistematiza a metodologia seguida no desenvolvimento das atividades e, por fim, apresenta o conteúdo geral dos capítulos que compõem esta dissertação.
Capítulo 2 – Revisão: modelos numéricos em mecânica das rochas. Discorre sobre
modelos numéricos em mecânica das rochas, a que se segue uma descrição da modelagem computacional, que inclui as principais características do método de elemento de contornos (BEM - Boundary Element Method) e a formulação matemática inerente ao software MAP3D. Neste capítulo, foram sumariados e discutidos alguns trabalhos relevantes que utilizam o mesmo software, com abordagens semelhantes ao problema proposto, bem como os principais resultados alcançados por seus respectivos autores.
Capítulo 3 – Mina Cuiabá. Neste capítulo, situa-se o ambiente da Mina Cuiabá. Aí
apresenta-se um breve histórico das atividades de mineração no local, faz-se uma abordagem dos aspectos gerais da mina, retratam-se as características geológicas do maciço rochoso, os aspectos geotécnicos e operacionais. As características geotécnicas incluem classificação do maciço rochoso, medição de tensão in situ, propriedades gerais de resistência e deformabilidade das rochas. Os aspectos operacionais dizem respeito ao método de lavra atualmente utilizado, sistema de contenção aplicado, as características do enchimento, os sistemas de monitoramento e instrumentação da Mina.
Capítulo 4 – Modelos numéricos tridimensionais do corpo Serrotinho. Aí, abordam-
se as características gerais do corpo de minério a ser modelado, bem como as justificativas para a escolha do método de lavra proposto. Este capítulo apresenta também os modelos selecionados para efetuar a calibração e suas características principais.
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Capítulo 5 – Atributos e critérios propostos para as simulações numéricas. Este
capítulo apresenta uma descrição dos modelos numéricos simulados, a representação dos layouts, as condições geológicas assumidas, as propriedades geotécnicas dos dados de entrada estimados, as tensões aplicadas, a sequência de lavra estabelecida e as limitações da análise numérica. Adicionalmente, são apresentados os critérios de análise utilizados para caracterizar e mensurar as condições instáveis dos modelos rodados, indicando-se as técnicas utilizadas para caracterizar risco de instabilidade, no contexto desta dissertação.
Capítulo 6 – Resultados e avaliação da estabilidade das variantes sublevel. Neste
capítulo, mostram-se os resultados das análises das condições de instabilidade, de acordo com os critérios estabelecidos, como, por exemplo a distribuição dos fatores de segurança no entorno dos pilares e as deformações totais computadas no hangingwall para vários modelos do método sublevel-stoping simulados; discutem-se as tendências gerais, as implicações das condicionantes dos layouts testados, evidenciando-se condições potenciais de instabilidade. Definem-se corolários de aplicação geral, como guias para o desenho de layouts de lavra em geral. Mostra-se, por fim, a aplicação efetiva das técnicas de análise numérica e de pós-processamento.
Capítulo 7 – Conclusões gerais e sugestões para pesquisas futuras. Este capítulo
sintetiza as conclusões derivadas dos capítulos anteriores. Levanta os pontos relevantes, observados a partir da comparação dos resultados das análises. Condensa detalhes sobre a aplicabilidade e sobre as limitações das ferramentas e metodologias utilizadas nesta dissertação. Aponta lacunas no conhecimento de mecânica de rochas, relacionadas, especificamente, com as análises realizadas e sugere temas possíveis para investigações futuras.
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2 Capítulo 2: r evisão: mod elo s num ér ico s em m ecâni ca d as ro chas
C a p í t u l o 2
REVISÃO: MODELOS NUM ÉRICOS EM
MECÂNICA DAS ROCHAS
2.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo, pretende-se sintetizar e discutir trabalhos relevantes que tratam dos modelos usados na análise de problemas de mecânica de rochas, criados para racionalizar e antecipar as condições das prováveis instabilidades num maciço em face de determinadas condicionantes e características operacionais do meio. Seu emprego possibilita previsões das condições que podem vir a ocorrer perante alterações futuras causadas pela influência da lavra. Ao antecipar ocorrências de instabilidade indesejadas, esses modelos permitem levantar riscos respectivos e planejar ações mitigadoras correspondentes.
No Brasil, em particular nos setores de mineração aurífera de Minas Gerais, mais especificamente nas minas da AngloGold Ashanti (domínio de interesse deste trabalho), o uso de métodos de análise computacional para dimensionar problemas de mecânica de rochas tornou-se rotina na última década (Lorig et al., 2003-2009 e Barbosa, 2009- 2011).
A complexidade morfológica dos corpos de minério e dos ambientes geotécnicos, a irregularidade geométrica das escavações realizadas para promover a extração, bem como a possibilidade de múltiplos cenários operacionais a serem considerados, tudo isso suscita a necessidade de aplicação de métodos computacionais sofisticados para analisar e solucionar apropriadamente as condicionantes e impactos geomecânicos no conjunto das operações de mineração.
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Métodos físico-analíticos simples
As tentativas iniciais de desenvolvimento da capacidade de previsão do comportamento dos maciços envolveram estudos analíticos de modelos físicos das minas. Seu objetivo geral era a identificação de condições que poderiam causar quebras significativas nos protótipos. Uma das grandes dificuldades observadas nesses procedimentos era a manutenção da similaridade e das propriedades dos materiais representativos e das cargas aplicadas. Brady e Brown (2006) afirmam que os métodos físico-analíticos para simular condições dos maciços são inerentemente limitados na sua aplicação potencial como ferramenta de previsão em mecânica de rochas e, consequentemente, em desenho de mina - a exceção são os modelos físicos base-fricção formulados por Bray e Goodman (1981), os quais se referem a métodos simples para tratar estruturas no maciço rochoso por meio do uso de modelos bidimensionais (2D) para examinar seções discretas particulares, porém supostamente representativas do ambiente de mina de maiores dimensões. Naturalmente, um modelo físico de uma estrutura simples em particular, como os modelos de Bray e Goodman, não gera informações suficientes sobre o estado das tensões e deformações no interior do meio de análise.
Um dos primeiros métodos quantitativos e estruturais que proporcionaram a identificação dos estados de tensões internas de um determinado corpo sujeito às cargas aplicadas foi o método físiso-analítico de foto-elasticidade. Ele expressa o princípio de que, em duas dimensões, para as condições de elasticidade isotrópica, a distribuição das tensões é inerente às propriedades elásticas do material usado; e tais distribuições são iguais quer em condições de tensões-planas (plain-stress) ou deformações-planas (plain-strain). Mas esse método, como ferramenta de previsão do estado das tensões num meio, é demasiado laborioso e não representativo. Por essa representatividade limitada, pelo esforço e custo elevado, assim como pela baixa previsibilidade do comportamento dos maciços, os modelos físico-analíticos, em geral, não são considerados ferramentas aplicáveis na análise de problemas complexos de geomecânica em ambientes de mineração.
21 Métodos computacionais de análise de tensões
As soluções analíticas e explícitas que revelam o estado das tensões e deformações induzidas são de grande complexidade mesmo para geometrias bidimensionais simples, como, por exemplo, uma escavação elíptica. A maioria dos desenhos de mina inclui problemas de mecânica de rochas onde ocorre a interação entre escavações com geometrias irregulares situadas em ambientes geotécnicos diversos, com não-linearidade e não-homogeneidade. Os problemas tornam-se de tal forma complexos que não é possível sua análise por métodos analíticos convencionais. A solução de tais problemas complexos (na maioria multidirecionais) pode ser obtida por meio de métodos computacionais.
Existem diversos métodos computacionais com base em análise numérica que podem ser usados para representar o comportamento de um maciço rochoso. Neste capítulo, são apresentados os mais comuns e disponíveis comercialmente, com suas principais características, a que se segue o código numérico MAP3D, a ferramenta utilizada nas simulações numéricas que são o foco desta dissertação. Os conceitos relevantes e inerentes a este trabalho são também aqui tratados, acrescentando-se ainda uma revisão bibliográfica sucinta sobre aspectos relacionados à modelagem numérica em ambientes de mineração, cuja abordagem é semelhante ao problema aqui analisado.