Sobre modelagem numérica e sua importância
Os fenômenos de instabilidade em ambientes de mineração subterrânea dependem: das reações dos maciços rochosos em função da lavra; do sequenciamento da extração; da complexidade geológica; do aprofundamento das frentes de trabalho; e consequente elevação das tensões. Essa multiplicidade de fatores que influenciam diretamente a estabilidade das escavações justifica a necessidade de utilização de técnicas de modelagem numérica.
As modelagens tridimensionais são consideradas as mais indicadas para representar problemas de estabilidade global em ambientes de mina subterrânea. O emprego desta como ferramenta de análise e desenho de mina deve constituir-se em suporte sistemático do planejamento e da mitigação dos riscos geotécnicos em operações de mina.
Ainda que os domínios descontínuos não possam ser caracterizados pelos métodos de elementos de contorno, BEM, ao se tratar de geometrias complexas, tridimensionais, em meios relativamente homogêneos e elásticos, as análises numéricas realizadas com MAP3D foram bem sucedidas nesta dissertação.
A relativa simplicidade e flexibilidade computacional dos métodos BEM conferem condições preferenciais de uso, quando há necessidade de serem avaliados múltiplos cenários operacionais, considerando-se modelos com grande variabilidade geométrica, a partir dos quais se pretende apenas a ordem de grandeza dos parâmetros impactantes, bem como identificar fatores de risco de instabilidade em função da variação das tensões. Foram estas as razões pelas quais se considerou o uso dos métodos BEM nas análises desta dissertação e a ferramenta MAP3D.
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Os resultados provenientes de modelos numéricos requerem apreciação do grau de confiabilidade. É necessário retroanalisar os resultados dos modelos com base nas respostas observadas in situ, provenientes de dados de monitoramento e instrumentação existentes. A retroanálise pode ser usada para reduzir dispersão nos resultados. Medidas de otimização do modelo numérico incluem: refinamento da geometria e representação geológica; melhor caracterização do estado de tensão pré-lavra; maior rigor nas propriedades dos materiais; diminuição dos erros numéricos; e correlação com observações de campo. O monitoramento e a retroanálise das respostas do maciço rochoso são essenciais para a otimização das análises numéricas.
Sobre os ambientes geotécnicos e domínios da análise
As operações de lavra na Mina Cuiabá ocorrem em realces de dimensões relativamente grandes para um ambiente subterrâneo. Ainda que seja praticada a aplicação de enchimento (mecânico ou hidráulico), pode-se antecipar ocorrência de grandes deformações nas superfícies expostas do hangingwall e footwall desta mina. As camadas litológicas encaixantes (X1 e X2) apresentam módulos de elasticidade relativamente baixos (valores médios de 15 e 20 GPa, respectivamente), o que contribui para a formação de um sistema regional composto por pilar-backfill-encaixante, com rigidez relativamente baixa.
Confirma-se a necessidade de efetuarem-se medições adicionais das tensões in situ, as quais podem confirmar a existência de variabilidade natural dos estados destas tensões. Determinadas áreas, em ambientes geológicos e geotécnicos diferentes, apresentam graus distintos de deformação e, portanto, reagem também de maneira distinta aos impactos da lavra. As deformações totais máximas registradas em realces típicos à profundidade de 650 m podem variar entre 20 e 120 mm, ao longo de um período de cerca de quatro meses. É evidente, portanto, a necessidade de que se conheçam as reações do maciço aos efeitos da lavra, os quais se manifestam de forma a induzir a variação do estado das tensões e das deformações estáticas e dinâmicas.
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Sobre os modelos tridimensionais desenvolvidos
Os modelos numéricos puramente elásticos, tais como os modelos em MAP3D nesta dissertação, apresentam soluções independentes da trajetória computacional seguida (diz-se path-independent); de modo que os resultados apresentados reportam os impactos das tensões e deformações referentes ao último estágio de lavra para cada modelo sublevel.
Sobre os critérios aplicados para inferir o risco de instabilidade
Utiliza-se o fator de segurança (FS) e a deformação total (dt) induzida para caracterizar as condições de instabilidade nos pilares e no hangingwall da lavra, respectivamente. Esta é uma maneira simples e conveniente de quantificar a extensão com que as condições mecânicas do maciço podem se exceder em determinados pontos.
A determinação do fator de segurança para regiões dos pilares sill e rib permite estimar, indiretamente, uma ordem de grandeza do dano induzido pelas sobretensões nos pilares, por exemplo. Globalmente, as análises dos pilares consideram que resultados de fator de segurança FS≤1,0 ultrapassando transversalmente ou longitudinalmente os pilares caracterizam a condição de falha ou ruptura destes.
Na avaliação do risco de desplacamentos no hangingwall, em vez de serem considerados critérios empírico-analíticos disponíveis, entendeu-se levar em conta a realidade das deformações reportadas pela Mina Cuiabá. Infere-se que, quando as deformações totais medidas no hangingwall dos realces, por meio de extensômetros, excedem o valor de 80 mm, aproximadamente, tende a ocorrer fenômenos de desprendimento de blocos, sobretudo em setores da lavra delineados por xistosidade intensa e por planos de juntas transversais.
Sobre a representação probabilística do risco de instabilidade
A instabilidade de determinadas regiões do maciço, influenciada pela lavra, pode ser interpretada em termos de risco, tomando-se a distribuição espacial dos fatores de risco considerados como, por exemplo, o fator de segurança. Reportar as condições gerais de
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estabilidade de um layout como um todo, não especificamente as condições instáveis referentes a um único ponto no layout, um pilar, etc., requer uma representação estatística de distribuição de probabilidade das variáveis de risco correspondentes, nos domínios pretendidos.
Sobre os limites de aplicabilidade dos modelos simulados
Existem limitações associadas às análises numéricas conduzidas para a Mina Cuiabá. Não é possível, por exemplo, representar explicitamente e com exatidão cada uma das características que afetam, em larga escala, o comportamento de um maciço rochoso complexo e heterogêneo, como é o caso desta mina. Muitas das características do maciço podem nunca ser completamente identificadas, ou quantificadas, ainda que a lavra tenha sido finalizada.
Existem limitações adicionais no nível de complexidade com o qual um modelo numérico de larga escala pode lidar. Mesmo que detalhes complexos de uma feição em particular sejam importantes, é necessário atribuir algum nível de simplificação ao modelo para que este possa processar ou produzir resultados em tempo razoável. Sabe- se que o tempo de computação de uma simulação numérica aumenta com o nível de detalhes de sua representação geométrica.
Sobre os resultados das avaliações das variantes sublevel
Maior sensibilidade no controle da geometria do realce e na avaliação do potencial de sobrequebra dos modelos simulados com o método de lavra sublevel stoping pode ser obtida variando-se fatores, tais como a influência da profundidade na lavra do corpo de minério, as dimensões do vão livre (strike span) entre rib pillars e as dimensões dos sill
pillars. Naturalmente, o estado de tensão in situ (magnitude e orientação) também
influencia o resultado de tais análises.
Em termos de estabilidade regional, é necessário determinar com rigor a influência das variações da morfologia dos corpos mineralizados; das geometrias de lavra respectivas; bem como da continuidade dos corpos ao longo do dip e plunge.
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Impacto sobre a profundidade de lavra
Quando a geometria de lavra, estável num dado nível superior, é aplicada num ambiente mais profundo, o realce pode tornar-se instável, dependentemente da geometria do
layout e de outros fatores geotécnicos.
Estabilidade dos rib pillars nas variantes de sublevel stoping
Em termos gerais, pilares rib com larguras menores são menos capazes de propiciar estabilidade global de um dado painel de lavra, pois existe maior probabilidade de ocorrer colapso do núcleo devido às concentrações de tensões induzidas pela lavra, causando perda da capacidade de carga.
O risco de instabilidade dos rib pillars no método sublevel amplia-se com o aumento da profundidade e com o aumento do vão de lavra, em proporções que dependem da geometria e do horizonte de lavra onde tais layouts são executados.
Estabilidade dos sill pillars nas variantes de sublevel stoping
A estabilidade dos sill pillars é diretamente condicionada pela espessura aparente do corpo de minério (potência). O aumento da profundidade de lavra, para a mesma geometria e rigidez do sistema de pilares (isto é, quando não se alteram as dimensões destes), pode por si só contribuir para um acréscimo no risco de instabilidade nos sill
pillars de algumas variantes do sublevel. Adicionalmente, quanto maiores os
comprimentos dos painéis ao longo do strike, menores serão os fatores de segurança esperados para os sill pillars.
Sobre a resposta de sistemas rígidos de pilares
O risco de instabilidade nos sill pillars para determinadas geometrias do método
sublevel pode ser insensível ao aumento da rigidez do sistema, quando mantidas as
profundidades e as dimensões dos vãos de lavra. Esta dedução é importante do ponto de vista operacional e econômico, pois implica que seria possível implementar layouts de lavra intercalados por rib pillars de menor dimensão sem comprometer a estabilidade.
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Entretanto, resultados compilados de análises numéricas puramente elásticas não podem confirmar de forma conclusiva e inequívoca tais deduções.
Impacto do vão de lavra
Geometrias com vãos maiores (por exemplo de 70 m) ao longo do strike podem não comportar sill pillars com as dimensões simuladas (6 m de altura vertical) para a posição do pilar situada nos níveis mais profundos (por exemplo a partir do nível N17), a não ser que apresente rib pillars de dimensão relativamente maior. Todas as demais geometrias tornam-se estáveis com sill pillars de 6 m de altura vertical para níveis de lavra de menor profundidade (N14 ao N16).
Em termos gerais, para manter-se o mesmo nível de risco ao avançar em profundidade, a largura dos rib pillars no layout sublevel deve ser aumentada proporcionalmente, isto porque o nível de risco amplia-se correspondentemente com o aumento dos vãos de lavra.
Instabilidade no hangingwall das variantes sublevel stoping
Os mecanismos de deformação do hangingwall capturados e representados pelo modelamento numérico assumem o hangingwall com características uniformes e aberturas sem enchimento.
A incerteza nas propriedades do maciço rochoso afeta a seleção ótima dos layouts. Os modelos que consideram litologias distintas compondo o maciço rochoso, hangingwall,
footwall e, ainda, uma rocha de propriedade intacta num campo de influência distante
das escavações, são assumidos como mais representativos da deformação esperada no
hangingwall. Pacotes litológicos de menor resistência mecânica agravam negativamente
o risco de instabilidade no hangingwall. O layout sublevel apresenta riscos de instabilidade maiores quando executado em ambientes com características geotécnicas de menor integridade.
Sabe-se que o comportamento do hangingwall da lavra é afetado pelas tensões principais (máxima e mínima) decorrentes da geometria complexa do realce. As
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escavações contêm zonas de sobresolicitação e de relaxação. A tensão máxima pode causar ruptura e a tensão mínima permite a dilatação das juntas e o desprendimento dos blocos por gravidade. Em termos gerais, o risco de instabilidade no hangingwall amplia-se quando aumenta o vão de lavra. A engenharia de rochas deve determinar as dimensões dos vãos mínimos de lavra estáveis.