Princípios e métodos para projetar limites de mineração a céu aberto
Características da Mineração a Céu Aberto A mineração a céu aberto é a extração de minério em ambiente exposto (superfície) utilizando equipamentos específicos de escavação e transporte. Sua característica marcante é que, para recuperar o minério, a rocha e o estéril circundantes devem ser removidos e o minério ou a rocha transportados para a superfície por meio de rotas de transporte de superfície ou trabalhos subterrâneos. Este método é amplamente utilizado para a extração de minérios metálicos, matérias-primas metalúrgicas, materiais de construção, matérias-primas químicas e carvão.
Em comparação com a mineração subterrânea, a mineração a céu aberto — por operar em um espaço exposto — tem as seguintes características:
(1) O espaço de trabalho é relativamente livre, o que facilita o uso de grandes equipamentos mecanizados. Altos níveis de mecanização e automação podem aumentar a intensidade da mineração e a produção de minério.
(2) Alta produtividade do trabalho.
(3) Menores custos de mineração, tornando viável a exploração em larga escala de minérios de baixo teor.
(4) Menor perda e diluição de minério, o que é favorável à recuperação de recursos minerais.
(5) Menor tempo de desenvolvimento; o gasto de capital por tonelada anual de minério é menor do que na mineração subterrânea.
(6) Para corpos de minério quentes ou combustíveis, a mineração a céu aberto pode ser mais segura do que a mineração subterrânea.
(7) Melhores condições de trabalho e operações geralmente mais seguras.
(8) As operações a céu aberto produzem emissões significativas de poeira e de veículos; a rocha explodida contendo componentes nocivos pode poluir o ar ambiente, a água e o solo até certo ponto.
(9) Grandes volumes de estéril são depositados em lixões; as instalações de resíduos ocupam terras substanciais (montanhas, terras agrícolas) e podem degradar o ambiente localmente.
(10) Condições climáticas como neve, gelo e chuva forte podem afetar negativamente as operações a céu aberto.
A definição dos limites de lavra (limites de cava) é a base do projeto de minas a céu aberto e um pré-requisito para uma exploração economicamente eficiente e segura. Pesquisadores e profissionais em todo o mundo estudam há muito tempo a otimização dos limites de cava e produzem resultados substanciais. No entanto, como as minas a céu aberto enfrentam corpos geológicos complexos e variáveis, distribuições irregulares de teores e parâmetros econômicos variáveis — fatores não lineares e dinâmicos —, a determinação dos limites ótimos de cava permanece difícil. Este artigo aborda questões-chave na otimização dos limites de cava: revisa trabalhos anteriores, analisa as características dinâmicas dos limites de cava, examina os principais fatores que afetam o ângulo de declive estável final, propõe métodos para prever um declive final razoável e estuda métodos rápidos para gerar séries de limites de cava e determinar o limite final de cava. Fundamentado na prática da engenharia e nos desenvolvimentos atuais, e utilizando teoria e métodos multidisciplinares, o estudo fornece pesquisa sistemática e aprofundada com significativo valor teórico e prático.
Princípios de Projeto para Limites de Mina a Céu Aberto: O tamanho dos limites da mina a céu aberto determina as quantidades de minério e estéril a serem removidos. À medida que os limites da mina se aprofundam e se expandem, a tonelagem de minério aumenta, mas o estéril também aumenta substancialmente, fazendo com que a taxa de estéril aumente. Portanto, determinar os limites da mina envolve essencialmente controlar a taxa de estéril para que ela não exceda a taxa de estéril economicamente aceitável.
Vários tipos de taxas de stripping estão relacionados ao tamanho limite da cava. Qual taxa de stripping controlar é um tema de debate; o artigo apresenta três pontos de vista acadêmicos historicamente antigos e representativos e seus respectivos critérios de projeto:
(1) Razão de desintegração no limite da cava não maior que a razão de desintegração econômica Este critério requer que a razão de desintegração no limite da cava não exceda a razão de desintegração economicamente razoável. Sua essência é garantir que, à medida que a cava se aprofunda, o benefício econômico marginal da mineração a céu aberto não seja pior do que o da mineração subterrânea. Para jazidas contínuas com estéril fino, este princípio tende a maximizar o lucro total do depósito. Como visa otimizar o resultado econômico total e é simples de calcular e aplicar, o critério ≤ é amplamente utilizado em projetos manuais de limite de cava tanto nacional quanto internacionalmente. No entanto, para depósitos com estéril espesso ou descontínuo, este critério pode não ser apropriado; portanto, é uma condição necessária, mas não suficiente, para um limite de cava ótimo.
(2) Razão média de estéril não maior que a razão de estéril econômica Este critério visa controlar o desempenho econômico geral da mineração a céu aberto para que não seja pior do que a mineração subterrânea. O objetivo é maximizar o minério recuperável dentro da área limite da cava, garantindo ao mesmo tempo que a economia geral da cava não fique abaixo daquela da mineração subterrânea. Como ele usa uma média aritmética, algumas áreas locais podem ter desempenho econômico inferior em relação aos métodos subterrâneos. O critério ≤ média pode ser usado em conjunto com o critério ≤ limite da cava: após delinear a cava pelo critério limite da cava, a razão média de estéril dentro desse limite deve ser verificada. Este critério é frequentemente aplicado para minerais raros de alto valor ou pequenos depósitos quando maximizar a extração a céu aberto (para minimizar a diluição e a perda de minério) é desejável. Também é comumente usado para pedreiras de rochas ornamentais e calcário.
(3) Razão de estripagem de produção não maior que a razão de estripagem econômica A razão de estripagem de produção reflete a razão real de estripagem para minério experimentada ao longo do ciclo de produção da mina. A aplicação do critério ≤ produção garante que em qualquer estágio de produção o resultado econômico da mina a céu aberto não seja pior do que a mineração subterrânea. A razão de estripagem de produção pode ser uma razão de produção de equilíbrio ou uma razão de estripagem desbalanceada (dependente do tempo). Os limites da cava derivados do critério de produção são menores do que aqueles do critério de limite da cava, mas maiores do que aqueles do critério médio e, portanto, levam a um maior investimento inicial de estripagem e desenvolvimento. Como a razão de estripagem de produção é difícil de definir precisamente e sua relação com a profundidade é complexa, esse critério é menos prático e raramente usado.
Elementos dos Limites da Mineração a Céu Aberto 3.1 Ângulo final da inclinação e estrutura da inclinação. O ângulo final da inclinação da mina afeta significativamente a segurança da produção e o desempenho econômico. Do ponto de vista econômico, uma inclinação mais acentuada (ângulo maior) é preferível, pois um ângulo menor aumenta a remoção de resíduos e a taxa de desintegração. No entanto, ângulos de inclinação excessivos podem causar instabilidade e comprometer a segurança. Portanto, o ângulo final da inclinação deve atender aos requisitos de estabilidade (segurança) e operacionais (mineração).
O requisito de estabilidade é que, com base nas propriedades do maciço rochoso e na análise de estabilidade, o ângulo final do talude garanta a estabilidade do talude. Durante a fase de projeto do limite da cava, os ângulos finais do talude são geralmente selecionados com referência a minas semelhantes e, em seguida, submetidos a uma análise preliminar de estabilidade e a cálculos simplificados com os dados disponíveis.
3.2 Largura e localização do fundo (piso da cava) (1) Largura mínima do fundo e valores A largura mínima do fundo da cava deve permitir que os equipamentos de mineração e transporte operem e realizem trabalhos com segurança. Geralmente, não deve ser menor que a largura da vala inicial (corte inicial); o valor mínimo é determinado pelas especificações do equipamento e pelos cálculos do layout do transporte.
(2) Localização do fundo e limites da cava geometricamente semelhantes (autosimilares). O critério básico para a localização do fundo da cava é minimizar a taxa média de desmonte dentro da cava. Às vezes, o fundo da cava é ajustado em relação às zonas mecânicas ou estruturais, de modo que as inclinações finais evitem zonas fraturadas ou estruturalmente frágeis, melhorando a estabilidade e simplificando a detonação.
Dependendo da espessura horizontal do corpo de minério, há três posições possíveis para o piso do poço:
Se a espessura horizontal do corpo de minério for menor que a largura mínima do fundo, desenhe o plano do piso do poço de acordo com a largura mínima.
Se a espessura horizontal for igual ou ligeiramente superior à largura mínima do fundo, defina a largura do piso do poço como igual à espessura do corpo de minério.
Se a espessura horizontal do corpo de minério exceder em muito a largura mínima do fundo, use a largura mínima do fundo.
A posição escolhida deve maximizar o minério recuperável, minimizar o desperdício e produzir a melhor qualidade de minério, ou seja, maximizar o benefício econômico.
Como os fundos de cavas reais têm larguras diferentes de zero, limites de cavas geometricamente semelhantes não são totalmente aplicáveis. No projeto, determine a localização do fundo da cava por casos: (i) em terreno plano, depósitos minerais espessos e finos podem formar limites de cavas geometricamente semelhantes; (ii) em terreno inclinado, se a espessura horizontal for maior que a largura mínima, a cava tem formato semelhante, enquanto depósitos minerais finos com espessura horizontal menor que a largura mínima devem atender a restrições adicionais.
(3) Método de projeto para limites de poço geometricamente semelhantes Um limite de poço geometricamente semelhante é a localização teórica ideal do fundo que minimiza a taxa média de decapagem — na verdade, a posição ideal do fundo quando a largura do fundo se aproxima de zero.
3.3 Profundidade da cava Os critérios de projeto para o limite da cava determinam essencialmente a profundidade economicamente justificada da cava. Dependendo da continuidade do corpo mineral e do comprimento da direção, as cavas podem ser classificadas como cavas longas ou curtas. Se a relação comprimento-largura exceder 4:1, a cava é "long" e o volume de minério na parede final é relativamente pequeno; no projeto manual, a contribuição da parede final é frequentemente insignificante. Se a relação for inferior a 4:1, a cava é "short" e o minério na parede final pode representar de 15% a 20% ou mais do total e deve ser considerado.
(1) Determinação preliminar da profundidade da cava em seções geológicas. Existem três métodos para determinar a profundidade da cava em seções geológicas: (a) método analítico, (b) método gráfico e (c) método de análise de planta (análise de esquema). O método de análise de planta é o mais amplamente utilizado. Suas etapas são: 1) propor diversas profundidades de cava candidatas; 2) calcular as razões de desintegração limite da cava para cada profundidade; 3) plotar curvas de análise e selecionar uma profundidade inicial.
(2) Ajuste a elevação do fundo nas seções transversais Ajuste a elevação do fundo do poço nas seções transversais; a elevação ajustada é a profundidade do poço de projeto.
(3) Delinear os limites da cava a céu aberto (método manual) A delimitação manual dos limites da cava envolve três etapas principais:
Desenhe o perímetro teórico do fundo da cava na profundidade de projeto: em cada seção transversal, seção longitudinal e seção auxiliar, desenhe o limite da cava na profundidade de projeto; em seguida, plote uma planta do horizonte estratigráfico nessa elevação. Projete os pontos finais do fundo da cava a partir das vistas em corte na planta e junte-os para obter o perímetro teórico do fundo. Suavize a polilinha em uma curva para formar o perímetro de projeto do fundo da cava. Verifique se as dimensões do fundo atendem aos requisitos de layout de transporte e operação do equipamento — retilinidade, raios de curvatura e comprimento do fundo devem atender aos padrões técnicos.
Desenhe o limite da cava: na planta topográfica-geológica, trace o perímetro do piso de projeto e, em seguida, de dentro para fora, desenhe as pontas da bancada e as linhas de crista para cada bancada (ou seja, bancadas e taludes) de acordo com os elementos de talude selecionados. Partes rebaixadas da cava formam pontas de bancada fechadas na planta; partes da encosta podem ter linhas de ponta de bancada que se conectam a curvas de nível de mesma elevação.
Desenhe o plano final da cava: no plano de limite da cava, trace as estradas de transporte e desenvolvimento (roteamento de linhas) e, em seguida, de baixo para fora, desenhe as faces das bancadas e plataformas para a configuração final. Projete também plataformas de rampa entre as bancadas, quando necessário. Verifique e ajuste o plano inicial de limite da cava, visto que as restrições de roteamento e desenvolvimento das estradas podem flexibilizar os ângulos de declive e aumentar a desintegração.
(4) Desenhe as seções transversais dos limites da cava. Usando a planta final da cava, desenhe três seções transversais representativas nas escalas apropriadas. A linha de seção longitudinal é traçada através dos pontos-chave da largura inferior da planta; usando as larguras da bancada, projete sucessivamente para cima para completar as seções transversais.
Determinação e otimização dos limites de poço aberto Usando os princípios de projeto comumente aplicados descritos acima, o método e as etapas para determinação e otimização dos limites do poço são os seguintes:
(1) Determinar a profundidade da cava. Para cavas alongadas, determine primeiro a profundidade em cada seção geológica e, em seguida, ajuste a elevação do fundo usando seções longitudinais. Para cavas curtas com grandes relações profundidade/largura, considere os efeitos da expansão da parede final. Se a profundidade não puder ser determinada diretamente a partir das seções, calcule as relações de descompactação do limite da cava em vistas de planta para várias profundidades candidatas e selecione a profundidade em que a relação de descompactação do limite da cava seja igual à relação de descompactação economicamente razoável.
(2) Determine o perímetro do fundo da cava em planta. A largura do fundo da cava pode ser maior ou menor que a espessura horizontal do corpo de minério, mas deve atender ao requisito de largura mínima. O princípio é maximizar a recuperação do minério e minimizar o desperdício. A largura mínima do fundo deve garantir a produção segura e a operação normal dos equipamentos de mineração e transporte; na prática, corresponde à largura da vala inicial e depende do método e do equipamento — normalmente não inferior a 20–30 m para segurança.
Após fixar a elevação inferior e as posições finais, desenhe o perímetro teórico do piso projetando os pontos finais das seções transversais no plano estratigráfico na elevação de projeto e conectando-os. Para facilitar o transporte, o perímetro do piso deve ser o mais reto possível; as partes curvas devem atender aos raios de curvatura mínimos para os equipamentos.
(3) Determinar a estrutura e os ângulos de inclinação. A estabilidade da inclinação é essencial para uma produção segura. A seleção correta do ângulo de inclinação é o principal meio de garantir a estabilidade. Dentro dos limites dos requisitos técnicos e de estabilidade, adotar o ângulo de inclinação final mais acentuado possível para minimizar a remoção de resíduos. Ao definir os ângulos de inclinação, considerar as propriedades do maciço rochoso, a estrutura geológica, a hidrogeologia, o método e o equipamento de mineração, a vida útil planejada da mina e o clima. Sempre que possível, realizar ensaios mecânicos de rochas e cálculos de estabilidade de encostas. Como os métodos de cálculo existentes nem sempre são perfeitos, na prática, os ângulos de inclinação final são frequentemente escolhidos com referência a minas análogas e dados empíricos.
(4) Desenhe a vista final do plano. As etapas incluem:
Transfira o perímetro determinado do fundo da cava para um papel transparente e sobreponha-o ao mapa topográfico-geológico; de dentro para fora, desenhe as pontas das bancadas de acordo com os elementos do declive.
Estabelecer estradas de transporte.
Revise e revise o plano preliminar da cava final.
Projete o plano finalizado em seções transversais de modo que os limites das seções coincidam com o plano. Como o ângulo de declive, a largura do piso e a profundidade afetam fortemente os limites finais da cava, um sistema de índice de avaliação dinâmica pode ser estabelecido para modelar e otimizar os limites da cava a céu aberto. Algoritmos aprimorados de rede neural BP podem ser usados para construir modelos de previsão para ângulos de declive finais estáveis. A simulação computacional tridimensional pode auxiliar na programação visual e eficiente da produção. Métodos de simulação computacional permitem uma otimização adicional dos limites da cava.
Conclusão A mineração a céu aberto utiliza equipamentos específicos de escavação e transporte em um espaço de trabalho exposto. O ângulo de declive final da cava, a largura e a localização do piso da cava e a profundidade da cava influenciam substancialmente a segurança e a economia da produção. Determinar os limites da cava é uma tarefa complexa que exige a adesão a princípios fundamentais, adaptando-se com flexibilidade às condições específicas do local para obter um projeto razoável. Este artigo revisou questões-chave na otimização dos limites da cava, analisou as características dos limites da cava a céu aberto, examinou os principais indicadores que afetam o ângulo de declive final estável e os métodos para prever uma declive final razoável, e discutiu abordagens para otimizar os limites da cava.
