Avanços recentes em tecnologias-chave para mineração subterrânea de metais

A mineração subterrânea de metais é um sistema complexo que inclui desenvolvimento, preparação de frentes de lavra (definição e estabelecimento do minério) e extração, sendo o uso de explosivos necessário em todas as etapas. Portanto, alcançar um desmonte seguro e eficiente é um objetivo central de pesquisa para engenheiros de mineração. As minas de metais estão passando por uma transição crítica, de trabalhos rasos para profundos, de condições fáceis para difíceis e de minérios de alta qualidade para minérios de baixa qualidade, criando novos desafios para a teoria, a tecnologia e os equipamentos. A pesquisa sobre as principais tecnologias para mineração subterrânea tornou-se, portanto, especialmente importante. Os avanços atuais se concentram em cinco áreas: perfuração e desmonte com explosivos, transporte e içamento de materiais, reforço de rochas, enchimento com pasta e controle remoto. Esta revisão resume o desenvolvimento e os progressos recentes em cada área.

1. Perfuração e detonação continuam sendo tecnologias essenciais na mineração de metais, mas historicamente também têm sido um ponto fraco. Melhorar a eficiência da perfuração e da detonação é vital para uma mineração subterrânea segura e produtiva. Ao longo do tempo, a indústria evoluiu da perfuração manual para perfuratrizes pneumáticas e hidráulicas, para perfuratrizes gigantes (incluindo perfuratrizes rotativas e de fundo de furo) e, agora, para robôs de perfuração. A tendência é deixar de ser uma simples mecanização e passar a priorizar a automação, a inteligência artificial e a proteção ambiental.

Diversos equipamentos de perfuração adaptados a diferentes condições de solo foram desenvolvidos nacional e internacionalmente. Nos últimos anos, com o aprimoramento dos equipamentos de perfuração, alguns países (notadamente os Estados Unidos e o Canadá) adaptaram métodos de perfuração/detonação em larga escala a céu aberto para uso subterrâneo: furos segmentados de profundidade intermediária foram, em alguns casos, substituídos por furos profundos escalonados de grande diâmetro, produzindo resultados favoráveis. Por exemplo, a Suécia desenvolveu uma série de jumbos tuneladores com alta eficiência de perfuração, maior segurança e menor poluição; no país, jumbos de três braços totalmente controlados por computador, que integram mobilidade, perfuração e carregamento, foram desenvolvidos, oferecendo operação simples, alta segurança e custo reduzido. Esses sistemas melhoram a qualidade e a eficiência da perfuração, ao mesmo tempo que reduzem a intensidade de trabalho e o risco operacional, promovendo automação, inteligência e desempenho ambiental.

Devido às diferentes condições subterrâneas e aos requisitos para escavação de vias e mineração, os métodos de detonação permanecem diversos. Técnicas como detonação com carga diferencial reduzida, detonação por compressão e detonação em contorno (face lisa) são amplamente utilizadas e têm melhorado os resultados das detonações em muitas situações.

A tecnologia de detonação está evoluindo em direção à detonação de precisão, à detonação ecológica e à detonação inteligente. A detonação de precisão baseia-se em um projeto refinado do padrão de furos, estudos detalhados da energia explosiva e modelagem de simulação de detonação para atingir a quebra de rochas desejada. A detonação ecológica utiliza novos agentes de combustão para substituir os explosivos convencionais, eliminando gases nocivos da detonação e melhorando significativamente a qualidade do ar subterrâneo. A detonação inteligente integra um projeto de detonação inteligente, equipamentos inteligentes, modelagem preditiva de vibração e identificação automatizada de furos sem carga para criar um sistema de detonação inteligente.

Além dos métodos explosivos, as técnicas não explosivas de quebra de rochas estão ganhando destaque. Mineradoras contínuas são utilizadas para escavação mecânica em rochas de dureza média e baixa, proporcionando alta produtividade e condições favoráveis ​​de controle do solo. Métodos de fragmentação física — como jateamento de água de alta pressão e fragmentação térmica — podem superar algumas limitações do corte puramente mecânico, produzindo pouca poeira e nenhuma faísca, além de melhorar as condições de trabalho. No entanto, o alto consumo de energia, o alto custo e o desgaste severo das ferramentas têm limitado sua ampla adoção. Ademais, o desenvolvimento nacional em tecnologias de informação e inteligência artificial começou mais tarde do que em alguns outros países, de modo que os principais sistemas inteligentes para mineração contínua de rochas duras ainda dependem em grande parte de tecnologia estrangeira. Como resultado, a mineração contínua para depósitos de rochas duras ainda não é amplamente implementada no país.

2. Transporte e içamento de materiais Os sistemas de transporte e içamento são essenciais para a produção subterrânea, integrando o processo de mineração em um sistema contínuo e garantindo a operação normal. O transporte de minério evoluiu de métodos manuais para sistemas sobre trilhos e, posteriormente, para sistemas sem trilhos (sobre pneus); a tendência atual é o uso de equipamentos sem trilhos como principal meio de transporte, com os sistemas sobre trilhos como secundários, impulsionada pelo desenvolvimento e amadurecimento de equipamentos subterrâneos sem trilhos desde a década de 1960.

O transporte de minério em curtas distâncias dentro de galerias de lavra geralmente utiliza carregadeiras, que oferecem operação conveniente, desempenho confiável, alta produtividade e manobrabilidade. O transporte subterrâneo em longas distâncias é comumente realizado por caminhões basculantes; estes são amplamente utilizados no exterior, mas menos no mercado interno. À medida que a profundidade da mineração aumenta, as distâncias de içamento crescem e a tecnologia de içamento enfrenta maiores desafios, juntamente com o aumento dos custos de extração do minério. O desenvolvimento de tecnologia de içamento de minério em poços profundos torna-se, portanto, cada vez mais importante. A tendência geral é em direção a sistemas de maior escala, com cargas mais elevadas e maior automação.

Na mineração em profundidade, muitas operações combinam transporte ferroviário, correias transportadoras ou carregadeiras sem trilhos com içamento de minério em múltiplos estágios em poços. Por exemplo, a mina de ouro TauTona, na África do Sul, utiliza um sistema de içamento de minério em três estágios com transferência entre poços por correia transportadora ou equipamento sem trilhos. As correias transportadoras abertas convencionais têm estrutura simples, mas são propensas à geração de poeira e derramamento, o que polui o ar subterrâneo e reduz a segurança; além disso, apresentam baixo desempenho em subidas. Sistemas mais modernos de correias transportadoras fechadas — como uma solução de design fechado desenvolvida pela SiCON — evitam derramamento e poeira, atingem velocidades de transporte superiores a 3 m/s e suportam inclinações de até 36°. Com a adaptação adequada, esses sistemas mostram-se promissores para o transporte de minério em minas profundas.

O içamento hidráulico (por água) é usado principalmente em aplicações em águas profundas, e alguns pesquisadores têm explorado seu uso em minas profundas, pois permite operação contínua e maior facilidade de automação. No entanto, a aplicação do içamento hidráulico no subsolo exigiria sistemas de cominuição (britagem e moagem) no local, em profundidade, o que dificulta a implementação prática atualmente. Conceitos inovadores, como elevadores de levitação magnética para içamento de minério, também foram propostos, mas requerem pesquisas mais detalhadas. Essas novas tecnologias e conceitos estão injetando novo ímpeto no transporte e içamento em minas, impulsionando a inovação em métodos e equipamentos.

3. O reforço de rochas em minas de metais concentra-se em estratos fracos, fraturados e de alta tensão. Os sistemas de suporte são classificados como passivos ou ativos. Os suportes passivos (madeira, alvenaria, arcos de aço) não alteram a estrutura interna da rocha, apenas resistem à deformação. Os suportes ativos modificam a massa rochosa para aumentar sua resistência intrínseca — exemplos incluem chumbadores e cabos de ancoragem, âncoras injetadas com resina ou cimento, concreto projetado com malha e sistemas compostos, como chumbadores combinados com concreto projetado e malha. Dentre esses, as combinações de chumbadores injetados com cimento e concreto projetado tornaram-se os principais métodos de reforço de solo em minas de metais.

A combinação de parafusos de extensão total e parafusos aderentes para criar sistemas de ancoragem totalmente aderentes melhorou significativamente a resistência da ancoragem e demonstra grande potencial para aplicação em campo. A tecnologia de concreto projetado evoluiu da projeção de mistura seca para a projeção de mistura úmida, melhorando as condições de trabalho e reduzindo o desprendimento de rochas. A combinação de concreto projetado com parafusos de ancoragem limita eficazmente a deformação livre da rocha circundante, redistribui a tensão e previne o desprendimento da superfície e a queda de rochas.

Os avanços na mecanização e nos equipamentos estão acelerando a adoção de sistemas modernos de ancoragem e projeção de concreto. Internacionalmente, diversos equipamentos, como jumbos de ancoragem, máquinas de projeção de concreto úmido e máquinas de suspensão de tela, foram desenvolvidos. No mercado interno, jumbos de ancoragem sobre pneus e esteiras, máquinas de projeção de concreto úmido para mineração e máquinas de projeção de concreto úmido com dois braços foram desenvolvidos, melhorando a eficiência, reduzindo a intensidade do trabalho e aumentando a segurança — impulsionando a mecanização e dando os primeiros passos rumo à operação inteligente. Após diversas iterações tecnológicas, o reforço de rochas evoluiu de métodos passivos de suporte único para métodos compostos ativos; espera-se que o desenvolvimento futuro enfatize a mecanização e a inteligência para aprimorar ainda mais a segurança e a produtividade.

4. Preenchimento com pasta: Os resíduos sólidos gerados pela mineração, a poluição da água e do ar e a ocupação do solo são sérias preocupações ambientais. A tecnologia e os equipamentos de mineração com preenchimento por pasta oferecem uma abordagem promissora para mitigar esses problemas. O preenchimento com pasta converte rejeitos e outros resíduos sólidos da mineração em uma lama estrutural saturada, não exsudativa e com consistência semelhante à de pasta de dente, que pode ser usada para preencher frentes de lavra e bacias de rejeitos, abordando dois grandes riscos — o armazenamento de rejeitos e as frentes de lavra vazias — ao mesmo tempo que promove a mineração sustentável.

Em comparação com o enchimento hidráulico tradicional com areia, o enchimento com pasta oferece três características inéditas: ausência de estratificação, segregação e exsudação. Uma plataforma de testes de enchimento com pasta em escala industrial foi estabelecida, abrangendo aproximadamente 2.000 m² com mais de 200 equipamentos, oferecendo alta precisão, funcionalidade abrangente e controle inteligente. Ela permite testes de todo o processo, medição de parâmetros e orientação para práticas de engenharia. Notavelmente, os sistemas de teste com tubos de múltiplos diâmetros, múltiplas orientações e múltiplos fluxos fornecem resultados que refletem melhor as condições de campo do que muitos métodos tradicionais.

A base teórica comum a todas as etapas do processo de enchimento com pasta é a reologia da pasta. A pesquisa concentra-se em modelos constitutivos para a reologia da pasta, utilizando cálculos teóricos, experimentos reológicos e simulação numérica para atender às necessidades de engenharia em quatro estágios do processo: espessamento (concentração), mistura, transporte e enchimento/cura. O espessamento garante uma concentração estável no fluxo inferior para preparar uma pasta qualificada; a mistura assegura a homogeneização da mistura de materiais para promover a fluidez e propriedades mecânicas homogêneas nas tubulações; o transporte visa o baixo consumo de energia e a redução do desgaste; o enchimento tem como objetivo a distribuição uniforme da resistência e um alto grau de preenchimento da lavra e aderência às paredes superiores. Essas quatro tecnologias correspondem aos principais desafios técnicos do enchimento com pasta. A tecnologia de enchimento com pasta — caracterizada por segurança, economia, proteção ambiental e eficiência — é um importante pilar técnico para sistemas de mineração de metais sustentáveis.

5. Controle remoto e automação: A tecnologia de mineração evoluiu de operações manuais para mecanizadas e agora para operações automatizadas e inteligentes. A tecnologia de controle remoto é um elemento essencial para a automação e a inteligência e desempenhará um papel insubstituível na mineração moderna. Globalmente, o controle remoto é uma área consolidada para minas subterrâneas e inclui o controle remoto de perfuração, o controle remoto de carregamento e o controle remoto de manuseio de minério, entre outros. No entanto, a implementação em larga escala depende da maturidade industrial e tecnológica geral de cada país; a adoção plena ainda não ocorreu em âmbito nacional.

As principais tecnologias de controle remoto se concentram em três capacidades: sensoriamento remoto do ambiente de mineração, operação remota dos processos de mineração e governança remota dos sistemas de mineração. Juntas, essas capacidades possibilitam a percepção e análise automatizadas, operações não tripuladas, despacho remoto, alerta antecipado automático e tomada de decisões remotas. O desenvolvimento e a integração contínuos de sensores, comunicações, sistemas de controle e inteligência artificial são necessários para viabilizar a mineração subterrânea de metais totalmente autônoma e gerenciada remotamente.

Conclusão: O avanço combinado das tecnologias de perfuração e detonação, transporte e içamento, reforço de rochas, preenchimento com pasta e controle remoto está remodelando a mineração subterrânea de metais. O progresso em equipamentos, materiais, controle de processos e sistemas digitais está impulsionando uma extração mais segura, eficiente e sustentável. A continuidade das pesquisas, os testes de campo e a integração de sistemas inteligentes serão essenciais para enfrentar os desafios de depósitos de metais mais profundos, complexos e de menor teor.