SUPORTE DE ROCHA EM ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS
Publicado por
John Hadjigeorglou (Laval University, Quebec City, Quebec, Canada) e
François Charette (Atlas Copco, Montreal, Quebec, Canada)
no Livro Underground Mining Methods
http://books.google.com.br/books/about/Underground_Mining_Methods.html?id=N9Xpi6a5304C&redir_esc=y
Capítulo 63, pag 547
63.1 INTRODUÇÃO
Em muitas minas, tirantes são uma condição fundamental para reforço de rocha. Reforço por tirantes está incluído em um dos métodos a seguir: construção de lages (a, b), suspensão de rochas fraturadas fracas em camadas mais competentes (c), arco de pressão (c) e suporte de blocos discretos (e) (veja fig 63.1). Ao longo dos anos novos tirantes e técnicas têm sido desenvolvidas para suprir as necessidades de diferentes tipos de condições de rochas.
Um sistema de suporte é bem sucedido se for seguro, econômico e atende às condições de produção requeridas. A economia com os suportes de rocha tem sido conseguida com a avaliação dos custos devido ao apoio (preparação da rocha e suporte) evitando custos desnecessários para reabilitação e com as perdas de produção (Krauland, 1983).
63.2 SISTEMA DE SUPORTE COM TIRANTES
É comum classificar tirantes como mecânicos, preenchidos com resina ou cimento e fricção, contudo, apesar destes tirantes estarem disponíveis sempre são utilizadas combinações entre estes mecanismos. A figura 63.2 resume os tipos de suporte mais utilizados.
63.2.1 Ancoragem Mecânica Puntual (cavilha de coquilha)
Um tirante de ancoragem puntual é usa com uma coquilha na estremidade deste tirante que se expande no final do furo, fazendo uso de uma rocha competente. A instalação é relativamente simples, com o tirante sendo colocado até o fim do furo e posteriormente tensionado. A instalação é feita pela superfície da rocha, manualmente com equipamento ou chave de impacto. Chaves pneumáticas são usadas para instalações mecanizadas. As cavilhas são tensionadas entre 135 N.m a 230 N.m para tirantes de 16 mm de diâmetro. Vários adaptadores estão disponíveis para esses equipamentos de instalação.
Uma instalação correta e adequada assegura um rendimento ótimo para o suporte instalado. É importante providenciar um torque adequado na instalação (170 a 270 N.m) e obter uma expansão adequada para o tipo de rocha. Testes de arrancamento são recomendados para esses casos. Diâmetro e comprimento do tirante são importantes e devem ser especificados. Em furos curtos, não é possível dar torque no tirante. Se o diâmetro do furo for pequeno, a porca não conseguirá expandir a coquilha e se for muito grande a expansão é reduzida. O tipo de coquilha utilizada também influencia na tolerância do diâmetro do furo. O uso de adaptadores adequados evita danos às placas e porcas.
A causa mais comum de perda de tensão é o tirante ser instalado com um ângulo menor que 80º com a superfície da rocha (fig 63.3). Placas esféricas, contudo, podem tolerar algumas variações. Os tirantes devem ser posicionados de forma a interceptar juntas em um ângulo maior que 45º. Uma série de exemplos mostrando esse arranjo é mostrado na figura 63.4 (Choquet 1991).
É importante desenvolver um programa de monitoramento dos tirantes após a instalação. Vibrações devido detonações podem diminuir as tensões e requerer que os tirantes próximos às detonações sejam reapertados (retensionados) aos níveis requeridos. Sinais visuais de instalação pobre podem indicar perda de parafusos e placas. Queda de rochas abaixo da placa podem levar a perda de carga. Placas grandes e uso de telas podem solucionar esse problema. Pequenas falhas indicam que a capacidade do tirante foi excedida. A corrosão também deve ser monitorada.
Comentário: Este tipo de tirante é de preço relativamente baixo e apesar de parecer de fácil instalação, existe um potencial muito alto falha. O diâmetro do furo deve estar muito bem dimensionado e ajustado com o diâmetro da coquilha. A tensão no parafuso e o memento de parar o aperto são situações de atenção na instalação. Após instalado, se houver desplacamento sob a placa, normalmente não é possível seu reaperto e a instalação fica inutilizada. Se esse tirante não for preenchido de cimento ou resina, fica sujeito à corrosão, comprometendo sua vida útil. É preciso verificar o prazo de validade levando-se em conta a qualidade do ambiente e principalmente da água. Se for ácida (PH < 7,0) a resistência diminui rapidamente comprometendo ou até mesmo inutilizando a segurança.
63.2.2,3 Ancoragem Mecânica de resina ou cimento
Esta aplicação considera preenchimento de resina ou cimento em toda sua extensão. Podemos considerar como sendo de custo médio entre os demais. Sua instalação é relativamente fácil. O parâmetro mais importante a ser considerado é o diâmetro do furo. Um diâmetro muito grande resulta em baixa força de escoamento e um diâmetro muito pequeno pode resultar em do tirante quando for colocado. O tamanho do furo também influencia na qualidade da instalação, devendo o comprimento ser de 150 mm a 200 mm a maior que o tirante. O tempo de inserção deve ser considerado na instalação para que se possa ter um melhor aproveitamento dependendo do diâmetro do furo. Se posteriormente houver teste de arrancamento, alguns dispositivos devem ser previstos durante a instalação do tirante.
Se forem observados chocos debaixo da placa, isso significa má instalação ou fratura de rochas. O uso de placas grandes, telas ou "shotcrete" favorece o controle do abatimento de choco sistemático. Se for observada falha na cabeça do tirante, pode ser devido ao excesso de deformação na boca do furo. A distância entre a placa e a superfície da parede pode demonstrar o grau de confinamento do tirante.
Tirantes de split-set são muito populares entre os mineiros porque eles atuam imediatamente e são muito fáceis de instalar. Por ser um suporte passivo o deslocamento rapidamente atinge sua capacidade de suporte. Sua fraqueza e baixa capacidade em relação a outros suportes podem ser um fator importante de limitação. Split-sets são suscetíveis a corrosão, embora, para uma superfície pequena ele possa apresentar mais resistência em um tempo curto.
Comentário: O tirante de aço integral quando preenchido com resina ou cimento, aumenta sua capacidade de suporte e duração. Não fica dependente de abatimento de choco, pois em toda coluna tem ancoragem que integra rocha, cimento (resina) e aço. O split-set é de baixo custo, mas tem vida relativamente curta, podendo variar de alguns dias a anos, dependendo da característica da água e ambiente onde está instalado. Deve ser usado como forma de sustentação rápida, enquanto aguarda instalação de suporte definitivo, considerando a vida útil da abertura.
Split-set grauteado. Uma prática relativamente recente em algumas operações é grautear o interior do split-set. Isso modifica seu mecanismo de ancoragem e resulta em um incremento significante de rigidez (Villaescusa e Wright, 1997). Essa prática permite que se aumente a capacidade de carga do split-set por que se diminui o comprimento do escoamento. Ainda não está bem demonstrado que o processo de grauteamento aumenta a resistência à corrosão consideravelmente.
Comentário: O uso do split-set é grande devido sua facilidade de aplicação e baixo custo. Um procedimento como enchimento de resina ou cimento tira suas duas grandes vantagens. É preciso analisar com cuidado se o melhor é fazer o enchimento ou aplicar outro suporte, com mais tempo, aumento de custo, vida útil e segurança.
63.2.4 Swellex
Um tirante de swellex é feito com uma capa de aço dobrada e soldada. Esse tirante é expandido dentro de um furo através de injeção de água a alta pressão. Os dois lados desse tubo são selados e em um dos lados existe um furo para que se possa injetar a água. Uma parte integrante do sistema é uma bomba de água com acionamento pneumático de 30 MPa de pressão. A fonte de ar comprimido deve ser ao menos 0,515 MPa (515 kPa) e um fluxo constante de água deve ser disponibilizado. O tirante de swellex possui uma gama de capacidades nominais e emprega o atrito e um sistema de intertravamento na ancoragem.
O tirante é inserido no furo de forma manual ou usando um sistema mecanizado ou semi-mecanizado. A ponta com o furo é mantido junto a face e inflado usando uma pressão de água adequada para expansão e uma bomba de injeção dedicada. Placas podem ser utilizadas mas devem ser colocadas no swellex antes da instalação. Caso deseje utilizar esses tirantes para aplicação de tela posteriormente, placas de fricção devem ser utilizadas após a instalação dos tirantes.
Durante a instalação é vital manter a pressão de inflação do tubo constante. Variações no diâmetro do furo, dentro dos limites recomendados não é crítico. A profundidade do furo deve ser suficiente para completar a inserção do swellex. Se o final do tirante ficar para fora do furo o swellex pode quebrar a rocha na superfície do furo. Ar e água dever ser filtradas (limpas) ou poderá diminuir o rendimento e aumentar a manutenção. É aconselhável manter o monitoramento de água e ar como forma de identificar o potencial de corrosão.
A quebra de rocha próximo à boca do furo é causada por tirantes que não estejam totalmente inseridos nos furos causando deformação na superfície da rocha. Falhas na ponta do tirante padrão podem ser causadas por grandes deformações da superfície da rocha e o uso de tirantes pode ser considerada a melhor opção.
Em algumas situações de quebra em algumas rochas duras encontradas nos maciços o tirante de swellex pode induzir um alto grau de stress horizontal que pode prejudicar a estabilidade do teto. Embora fraturas possam ocorrer após a instalação os tirantes de swellex podem formar um arco estável de suporte. Tirantes de swellex são recomendados para trabalhos de reabilitação, maciços muito fraturados ou sob stress médio. Grande fluxo de água a presença de juntas abertas aumentam o risco de corrosão no tirante.
O swellex favorece um processo de instalação simples e fácil resultando em um suporte imediato. Ele pode ser aplicado em diferentes condições rochosas e o controle de qualidade é limitado à inserção e à expansão (pressão) do tubo. Essas limitações incluem o custo relativamente alto e a necessidade de uma bomba especial. Os tirantes de swellex são suscetíveis à corrosão.
Comentário: O uso do swellex é rápido e relativamente fácil. A colocação no furo não depende de impacto, mas é necessário ser todo inserido no furo. Em caso de se utilizar placa, essa deve ser inserida antes no tirante e somente depois ele deve ser introduzido no furo. Se colocar tela para aumentar a segurança (casos em que o maciço é muito fraturado) deve ser colocada uma chapa de fricção (ou estriada) por cima da tela. Como o swellex é uma chapa relativamente fina e suscetível à corrosão deve ser bem avaliado o tempo necessário para seu uso. É possível se utilizar peças galvanizadas, mais caras, para extensão de sua vida útil. Em maciços com alto nível de stress, a pressão no swellex deve ser bem controlada para não prejudicar a estabilidade.
63.2.5 Tirante de rosca (ou parafuso)
Ao longo dos anos, diferentes tipos de tirantes de rosca têm sido aplicados em várias operações. Os tirantes são diferentes entre si dependendo do sistema mecânico e que pode ser grauteado com cimento usando tubo de injeção de graute ou cimento. Um rígido programa de qualidade é necessário para assegurar que o grauteamento do tubo foi conforme projetado e usada a relação 0,4 água:cimento.
Uma vantagem é a combinação de suporte imediato promovido pela ancoragem e a eficiência de longo prazo devido ao grauteamento. Falhas podem ocasionar problemas já mensionados. Ainda assim tirantes tubulares estão suscetíveis a corrosão. Este é o caso quando o maciço rochoso relaxa resultando em graute rachado (ou trincado) e expõe o tirante fino na parede. Tirantes tubulares são um sistema de dois passos que são percebidos em rochas fracas em zona de cisalhamento.
Comentário: Muitas vezes são usados split-set como tirantes tubulares preechidos com graute ou cimento. Ainda hoje existem discussões a respeito de sua eficácia e vida útil. É sugerido fazer testes de arrancamento e acompanhamento para comparar as eficiências.
63.2.6 Tirante-CT
O tirante CT consiste em uma barra de aço de 20 mm de diâmetro instalada com uma ponta preparada para colocação de uma porca a outra de um dispositivo de expansão quando o tirante é girado. Também conhecido com "cavilha de coquilha" (Villaescusa e Wright 1999). A tensão no tirante é conseguida, apertando uma porca hemisférica e uma placa contra a parede no final do tirante. O tirante é instalado e especialmente projetado com superfície corrugada para ser grauteado posteriormente. A arruela hemisférica é oca e possui um furo para instalação do graute através de um furo de 16 mm. Este sistema é relativamente caro. Ele provê um suporte relativamente imediato, mas necessita de trabalhos posteriores como um sistema de dois passos. Nos trabalhos de campo, tem sido reportados que essa instalação complexa pode resultar em uma alta proporção de tirantes danificados (Potvin et al. 1999).
Comentário: Como essa instalação é feita em dois passos a chance de erro é muito grande. As duas operações são delicadas: Tanto a instalação do tirante de coquilha, como a injeção do graute através do furo da placa, que nesse momento já deve estar instalada. Não é um custo baixo e tem um alto grau de possibilidade de ser mal-instalado.
63.2.7 Tela
Telas são usadas em conjunto com tirantes para suportar blocos desprendidos (chocos) entre os tirantes. Telas entrelaçadas suportam mais deflexão (deformação), enquanto malhas soldadas atuam de forma mais rígida (fig 63.5). O calibre do arame (fio) é determinado pela vida útil, com a bitola #9 sempre usado para aplicações temporárias e #6 ou #4 para aplicações em excavações permanentes. As telas devem ser colocadas tão próximas quanto possível da superfície da rocha. É boa prática assegurar que exista uma superposição entre as telas.
Como as falhas nas telas aparecem de forma progressiva, deves ser feitas inspeções regulares para identificar acúmulo de chocos, fios rompidos e início de corrosão. Nas escavações de acesso quando houver acúmulo excessivo de chocos (bagging) a tela deve ser cortada, os chocos abatidos, e a tela deve ser novamente recolocada.
A maior inconveniência para a produção é o tempo gasto para aplicar a tela. Além disso, telas são propensas à corrosão. Embora telas galvanizadas sejam disponíveis sua resistência a longo prazo não é estável (ou garantida).
Comentário: O uso de telas deve ser feito em locais de grande movimentação e estresse onde a movimentação é visível em pouco tempo (menos tempo que a vida útil da abertura). Mesmo em locais onde as descontinuidades são maiores que a malha de suporte, é comum a formação de chocos entre esses suportes. Nesse caso, o uso da tela é recomendável, uma vez que o choco pode cair e provocar acidentes mesmo com o local suportado de forma adequada. Em minas profundas (com mais de 1000 m) ou eventualmente mais rasas, dependendo do nível de estresse, essas aplicações são necessárias, uma vez que a movimentação do maciço não estabiliza e a abertura necessita ser conservada. Uso de telas galvanizadas é recomendado e principalmente inspeção da evolução da movimentação, não só pela equipe de segurança da mina como de todo o pessoal que faz uso desse acesso. Em caso de rampa, todos da mina devem fazer inspeções diárias e manter um cadastro da evolução. Instrumentação nesse caso também deve feita, cadastrada e monitorada por pessoal responsável. Existem vários tipos de tela com malhas e bitolas. Deve ser utilizada a que for mais recomendada, considerando segurança, prazo e custo.
63.2.8 Straps (Chapas de aço com olhal)
Straps metálicos são geralmente disponíveis em 102 mm de largura e vários comprimentos e espessuras. São usados em áreas onde se tem planos dominantes de fraqueza ou xistosidade e para reforço de pilar. Para que o strap seja eficiente ele deve ser orientado de forma que intercepte os planos de fraqueza. Os straps podem ser úteis também quando usados para reforço de tela onde há acúmulo de chocos. Algumas minas usam straps para incrementar o reforço da superfície onde tirantes são aplicados.
63.3.4 Reforço baseado no conceito de arco de rocha
A introdução de tirantes com outros dispositivos, resulta em reforço de carga no arco com a estabilização do maciço escavado. A figura 63.7 sugere um projeto para orientação em maciços de tensões altas e moderadas nos maciços rochosos.
63.3.5 Classificação de maciços rochosos
Há duas maneiras de empregar o sistema de classificação de maciços rochosos. No primeiro caso, os sistemas são usados para selecionar o sistema de suporte. No segundo para determinar a tensão no suporte. Na prática, a maioria das operações (projetos) se referem ao sistema Q (Barton, Lien e Lund, 1974) e o sistema Rock-Mass Rating (RMR), (Bieniawski, 1973). Existe uma longa discussão a respeito das vantagens e desvantagens destes sistemas com referência à mineração (Milne, Hadjigeorgiou e Pakalnis, 1998).
O sistema Q é, indiscutivelmente, um dos mais populares sistemas de classificação de maciços e emprega seis parâmetros: RQD (Deere e outros, 1967), Jn (número de juntas), Jr (índice de rugosidade das juntas), Ja (alteração das juntas e descontinuidades), Jw (índice de água) e SRF (índice de estresse do maciço). Estes parâmetros são combinados para determinar Q (ver fig. 63.10).
O índice Q é relacionado ao vão da escavação para proporcionar uma orientação na estabilidade da escavação tão bem quanto a seleção apropriada do sistema de suporte. O mais recentes guias (Barton e Grimstad, 1994) são apresentados na fig 63.11. O ESR (Índice Equivalente de Suporte), tabela 63.1, permite selecionar o nível de segurança requerido, baseado no tipo de escavação.
O RMR (Bieniawski, 1973) tem desenvolvido ao longo dos anos, modificação nos pesos dos parâmetros básicos. Devido a isso, tem sido amplamente utilizado para caracterizar o maciço rochoso (Bieniawski, 1989). Tem sido verificado que dependendo da versão do sistema empregado pode haver diferenças na avaliação da estabilidade da escavação (Milne, Hadjigeorgiou, e Pakalnis, 1998). Ambos, RMR e Q permitem uma avaliação das condições dos maciços da mina. Desta forma, eles contribuem para definir um padrão adequado de suporte das aberturas.
Comentários: A classificação geomecânica do maciço deve ser uma das primeiras coisas a serem feitas quando se trata de parâmetros de lavra e suporte. Hoje em dia, é ela que define altura entre subníveis, dimensões de galerias, malha de suporte, tipos de suporte a serem utilizados, etc. O processo de determinação de Q e RMR deve começar junto com a campanha de sondagem, pois estes resultados devem servir de base para planejamento do método de lavra e condições de estabilidade e projetos de suporte para manutenção das aberturas. É boa prática comparar a evolução dos maciços, comparar com a bibliografia e fazer devidos ajustes.
63.3.6 Regras Empíricas
Mesmo tendo o sistema de classificação de maciços incorporado no projeto de suporte, temos também recomendações de natureza empírica, várias "regras do dedão" (regras baseadas em experiência de profissionais seniores) que podem ser aplicadas na seleção do tipo de reforço e dimensões (Farmer e Shelton 1983; Laubscher 1984). Estas regras podem ser utilizadas independentemente do sistema de classificação de maciços e projetos analíticos mas melhor utilizados como ferramentas comparativas para permitir a escolha da malha e profundidade do tirante, espaçamento e a pressão de suporte e a pressão do suporte necessária mostrada na tab. 63.2 (US Corps of Engineers, 1981). Quaisquer regras empíricas, contudo, fornecem apenas uma configuração preliminar para um projeto de reforço de rocha. Isso também deve ser notado que muitas regras empíricas são baseadas em práticas passadas que são influenciadas por uma variedade de outros fatores não-técnicos como legislação e preferências.
Comentário: Muitas vezes precisamos usar a "regra do dedão" que significa como se fosse um estalo para iniciar um projeto ou esboço de um projeto. Nem sempre temos informações bem embasadas para fundamentar um conceito. À medida que as informações vão se detalhando o projeto, ou esboço, vai sendo ajustado. É preciso utilizar essas regras com bom-senso ou corre-se o risco de se ter algo completamente diferente da realidade e principalmente em casos onde não se tem o mínimo de informação local para suporte.
63.3.7 Projeto de suporte para condições de colapso de rocha (ou maciço)
Dado que muitos sistemas empíricos têm sido desenvolvidos para baixas condições de estresse, tem sido questionado o quanto são adequados para se utilizar em condições de colapso de maciço rochoso. Recentemente o sistema NGI foi modificado prevendo o Fator de Redução de Estresse (SRF) para condições de colapso (Barton e Grimstad, 1994). Tem sido argumentado que para situações de colapso, o RMR pode ser reduzido para 20 pontos (Lang e outros 1991). Na prática, mais e mais minas que operam em situação de colapso (alto estresse) tem desenvolvido seus próprios conceitos e procedimentos.
A escolha de suporte para condições de colapso tem sido associada à expectativa de danos severos (tab. 63.3) (Kaiser, McCreathe Tannant, 1996).
Os resultados de um programa de teste de suporte por tirante em condições dinâmicas estão disponíveis (Stacey e Ortleepp, 1999; Kaiser, McCreath, e Tannant, 1996).
Comentário: Realmente são poucos os estudos para maciços em condições de colapso. Possivelmente pelo fato de que esses estudos necessitem de minas profundas, que são poucas e alto custo de estudo para essas situações. Como dito no artigo as próprias empresas desenvolvem seus procedimentos para contornar os problemas. É importante salientar que, dependendo do nível de tensão (SRF), o maciço rochoso não se estabiliza ficando permanentemente em movimento fechando todas as aberturas. No caso de galerias de acesso e transporte uma sugestão é fazer ancoragem com tirantes e telas com malhas adequadas e fazer inspeções permanetes da evolução do colapso. Periodicamente a tela tem de ser esvaziada, choco abatido e a tela reinstalada para manutenção da via de acesso. Dependendo das orientações de tensão do maciço, pode achar um outro caminho de menores tensões para construir outro acesso e evitar a movimentação permanente.
Abaco de suporte baseado em classificação de maciço
Um dos objetivos de se classificar um maciço é determinar qual deve ser o tipo de suporte necessário. A fig 63.11 mostra esse ábaco baseado na classificação Q e o ESR (Excavation Support Ratio, Índice do suporte da Escavação). Para cada tipo, ou finalidade, da escavação, podemos utilizar um índice que vai influenciar no suporte, de acordo com o ábaco abaixo. O valores básicos de referência estão na tabela de ESR abaixo sugerido por Barton e outros (1974).
Fonte: http://www.rocscience.com/hoek/pdf/3_Rock_mass_classification.pdf
Atualizado em 21/12/2013
