SERVIÇO PÚBLICO FEDERALUNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO SUL E SUDESTE DO PARÁ FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO AMBIENTE LUCAS LACERDA FURTADO IMPLANTAÇÃO DE MELHORIA NO RETALUDAMENTO DAS MINAS DE FERRO DE CARAJÁS, PARAUAPEBAS, PARÁ MARABÁ – PA 2013 LUCAS LACERDA FURTADO IMPLANTAÇÃO DE MELHORIA NO RETALUDAMENTO DAS MINAS DE FERRO DE CARAJÁS, PARAUAPEBAS, PARÁ MARABÁ – PA 2013 Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente da Universidade Federal do Pará – UFPA, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Minas e Meio Ambiente. Orientadora: Profa. Karina Felícia Fischer Lima Santiago. LUCAS LACERDA FURTADO IMPLANTAÇÃO DE MELHORIA NO RETALUDAMENTO DAS MINAS DE FERRO DE CARAJÁS, PARAUAPEBAS, PARÁ Data da aprovação: __/__/____ Conceito: ______________________ Banca examinadora: __________________________________________ Profa. Karina Felícia Fischer Lima Santiago Professora da FEMMA Universidade Federal do Pará __________________________________________ Prof. Dr. Denílson da Silva Costa Professor da FEMMA Universidade Federal do Pará __________________________________________ Prof. Dr. Raimundo Nonato dos Santos Professor da FAGEO Universidade Federal do Pará Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente da Universidade Federal do Pará – UFPA, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Minas e Meio Ambiente. Orientadora: Profa. Karina Felícia Fischer Lima Santiago. Aos meus pais, maiores incentivadores e financiadores desta conquista. AGRADECIMENTOS Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, que sempre esteve presente em meu lar, Ele que é a fonte de tudo em nossas vidas, e que sempre me ajudou a atravessar os períodos de dificuldade. A Nossa Senhora de Nazaré padroeira dos paraenses e nossa grande intercessora. Á Santa Rita de Cássia, minha protetora que sempre me protegeu e atendeu às minhas preces. Á minha família, em especial aos meus pais, Gilberto e Eliana, que abdicaram de tudo para garantir a melhor educação possível para mim e minhas irmãs Lidia e Luciana Helena, grandes parceiras, as quais amo muito. Aos meus tios, tias, primos e primas. Em especial aos meus avós Walfrido (in memorian), Lidia (in memorian) e Maria Cirene. Á minha namorada Anne que sempre esteve ao meu lado me dando forças e apoio imprescindíveis para a realização deste trabalho. Aos amigos Antonio Lucas (véio), Anderson Meireles (negão), Filippe Bacelar (toupeira) e ao grande “brother” Vinicius Lima (codó), que foram de fundamental importância para a realização desta graduação, pois longe de minha família, posso dizer que estes formaram a minha família aqui em Marabá. Aos colegas de turma de Engenharia de Minas e Meio Ambiente de 2008, em especial aos amigos: Raulim, Luiz Francisco, Artur, André, Elenilson, Leandro e Rafael. Aos grandes amigos Gustavo Silva, Renan Tourinho, Adriano Paiva, Jackson Rainério, Luiz Fabrício, Rafael Ferrari, Lorena Pereira, Aldo Alex, Jéssica Caroline, Paula Sanz e Ivan Torres, que propiciaram muitos momentos de alegria e de verdadeira amizade. Á Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente, aos professores, técnicos e demais alunos. Aos mestres, e acima de tudo amigos, Denílson Costa e Raimundo Nonato que ajudaram na execução deste estudo, com conselhos de grande contribuição para a finalização do mesmo. Á minha orientadora Karina, pela paciência atribuída e conselhos que foram de fundamental importância para a execução deste trabalho de conclusão de curso. Aos parceiros Rafael Peron, Arthur Calandrini, Saulo Calandrini, Renan Miranda, Felipe Coimbra, Marcelo Sousa e Rafael Porto. Á empresa Vale S.A. pela oportunidade de estágio, onde foi possível a realização deste trabalho. Em especial ao meu supervisor de estágio Roberto Francisco e ao meu orientador Diogo Menezes, e aos funcionários: João Carvalho, Vagner Thom, Márcio Andrade, Igor Hosken, César Barbosa e Éder Melão, que contribuíram tecnicamente e pela atenção dada ao trabalho. Ao funcionário da Sotreq Geizon Sá, que forneceu todo o seu conhecimento para a execução desta tarefa. Á todos que estiveram presentes durante a minha vida acadêmica, deixo aqui meu muito obrigado! “...não nos levam a sério (o Pará), somente o nosso minério...” Mosaico de Ravena RESUMO Nas minas de ferro de Carajás, da empresa Vale S/A, se realizava o retaludamento com a utilização de tratores de esteira Caterpillar D11, executando-se o corte e rebaixamento do material excedente dos taludes, as escavadeiras Caterpillar 345D realizavam apenas a conformação final do ângulo final do talude. A parceria entre a Sotreq e a Vale S/A implantou melhorias na atividade de retaludamento, através da mudança de procedimento operacional, utilizando-se de escavadeiras 345D, no lugar dos tratores D11, na realização da atividade. A associação de duas escavadeiras frente á utilização de um trator gerou ganhos: operacionais, produtivos, econômicos e de segurança. A produtividade foi aumentada em 440m 3 /h de movimentação de material, com redução do consumo de 12 l/h de óleo diesel e 30% dos custos de manutenção e reposição de materiais de desgaste. Operacionalmente foram liberados mais tratores para outras atividades da operação de mina, além de eliminação de riscos existentes na metodologia realizada anteriormente, gerando mais segurança durante a execução da tarefa. Economicamente destaca-se a economia de R$ 2 milhões apresentada na aquisição de duas escavadeiras 345D frente a aquisição de um trator D11. Palavras Chave: retaludamento; trator de esteiras; escavadeira hidráulica; procedimento operacional; e estabilização de taludes. ABSTRACT In Carajas iron ore mines, for company Vale S / A, the reslope was executed by Caterpillar bulldozers D11, who performed the cutting and lowering of excess material of slopes, excavators Caterpillar 345D performed only the conformation of the end of the final angle slope. The partnership between Vale and Sotreq S / A has implemented improvements in activity of reslope by changing operating procedure, using the 345D excavators, tractors instead of D11 in the activity. The association of two excavators front of the tractor using a generated earnings: operational, productivity, economics and safety. The productivity was increased to 440 m 3 /h of material movement, with reduced consumption of 12 b/h of oil diesel and 30% of the costs of maintenance and replacement of materials of wear. Operationally more tractors were released for other activities of mine operation, and elimination of risks in the methodology previously performed, generating more security during task execution. Economically there is the economy presented in R$ 2 million acquisition of two excavators 345D front purchasing a D11 tractor. Keywords: reslope; crawler tractor, hydraulic excavator, operating procedure, and slope stabilization. LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1- Ângulo de talude com a horizontal ................................................................. 19 FIGURA 2- Desenho esquemático ilustrando algumas das estruturas que compõem uma cava ................................................................................................................. 20 FIGURA 3- Tipos e formas geométricas de taludes ou encostas ....................................... 21 FIGURA 4- Talude natural ................................................................................................. 22 FIGURA 5- Talude de corte na cava da mina de N5W, Carajás, Pará ............................... 22 FIGURA 6- Pilha de disposição de estéril, exemplo de talude de aterro ........................... 23 FIGURA 7- Á esquerda taludes da mina de N4WN, Carajás, Pará, exemplo de taludes em rocha. Na direita, deslizamento em taludes construídos em solo ................... 23 FIGURA 8- Esquema de fluxo de detritos, exemplo de corrida ......................................... 27 FIGURA 9- Esquema clássico de um rastejo, evidenciado pela mudança da verticalidade de árvores e postes .......................................................................................... 28 FIGURA 10- Esquema de subsidência causada por mineração ........................................... 29 FIGURA 11- Ocorrência de recalque em aterro sobre solo mole......................................... 29 FIGURA 12- Queda rochosa em Clear Creek Canyon, Colorado, EUA, em 2005 .............. 30 FIGURA 13- Esquema de tombamento ................................................................................ 30 FIGURA 14- Esquema de escorregamento rotacional ......................................................... 31 FIGURA 15- Esquema de escorregamento translacional ..................................................... 32 FIGURA 16- Tipos de superfícies de rupturas em taludes ................................................... 35 FIGURA 17- Execução adequada de bota fora, exemplo de obra de aterro visando a estabilização de taludes .................................................................................. 38 FIGURA 18- Esquema de retaludamento ............................................................................. 38 FIGURA 19- Retaludamento através de corte com redução da altura do talude ................. 39 FIGURA 20- Estabilização de talude através da execução de aterro na sua base ................ 39 FIGURA 21- Muro de gabiões, á esquerda; crib-walls, á direita ......................................... 40 FIGURA 22- Esquema de muro de concreto armado ........................................................... 41 FIGURA 23- Exemplo de cortina cravada ........................................................................... 41 FIGURA 24- Esquema típico de ancoragem ........................................................................ 42 FIGURA 25- Exemplo de aplicação de uma cortina atirantada ........................................... 43 FIGURA 26- Exemplo de aplicação de estacas raiz, na estabilização de taludes ................ 43 FIGURA 27- Detalhes de uma terra armada ........................................................................ 44 FIGURA 28- Indicação dos diversos dispositivos de um sistema de drenagem superficial 45 FIGURA 29- Aspecto visual de talude de corte onde foram aplicadas biomantas antierosivas ..................................................................................................... 46 FIGURA 30- Corte em meia encosta .................................................................................... 47 FIGURA 31- Corte com canto de lâmina ............................................................................. 48 FIGURA 32- Escavadeira “shovel” trabalhando em taludes ................................................ 48 FIGURA 33- Acerto de taludes através da utilização de “drag-lines” ................................. 49 FIGURA 34- Escavadeira de acionamento hidráulico Caterpillar 345D ............................. 50 FIGURA 35- Localização do município de Parauapebas, Pará, e o seu entorno ................. 53 FIGURA 36- Localização da estrada de ferro que liga Carajás ao porto de Itaqui no Maranhão ........................................................................................................ 53 FIGURA 37- Mapa geológico simplificado da Província de Carajás .................................. 55 FIGURA 38- Visualização das minas de ferro de Carajás ................................................... 58 FIGURA 39- Trator de esteiras Caterpillar D11, realizando rebaixamento de material excedente, com escavadeira Caterpillar 345D, realizando a conformação do ângulo do talude ............................................................................................. 61 FIGURA 40- Trator D11 realizando retaludamento ............................................................. 62 FIGURA 41- Escavadeira 345D realizando conformação do ângulo de face do talude ...... 62 FIGURA 42- Esquema de execução de retaludamento com escavadeira 345D: a) construção de leira de proteção; b) rebaixamento de talude; c) finalização de retaludamento com atingimento do banco seguinte ....................................... 63 FIGURA 43- Realização de corte em trincheiras e rebaixamento de taludes por escavadeiras 345D .......................................................................................... 64 FIGURA 44- Disposição de material no banco inferior ....................................................... 64 FIGURA 45- Trator Caterpillar D11 pronto para escarificar material ................................. 65 LISTA DE TABELAS TABELA 2.1- Classificação dos movimentos de taludes e encostas segundo Varnes (1978) ........................................................................................................................ 25 TABELA 2.2- Classificação de Augusto-Filho (1992) .......................................................... 26 TABELA 2.3- Escala de velocidade de movimento de encostas e taludes, segundo Varnes (1978) ............................................................................................................. 26 TABELA 2.4- Classificação dos movimentos de massa de acordo com a profundidade ...... 27 TABELA 2.5- Agentes e causas dos movimentos de massa .................................................. 34 TABELA 2.6- Recomendações para fatores de segurança admissíveis ................................. 37 TABELA 4.1- Produtividade de equipamentos no retaludamento, em m 3 /h ......................... 67 TABELA 4.2- Comparação de parâmetros econômicos entre duas escavadeiras Cat 345 D e um trator Cat D 11 .......................................................................................... 68 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABGE - Associação Brasileira de Geologia de Engenharia ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas CBCN - Centro Brasileiro para Conservação da Natureza e Desenvolvimento Sustentável CPRM - Serviço Geológico Brasileiro CVRD - Companhia Vale do Rio Doce DIFN - Diretoria de Ferrosos Norte DHP - Drenos Horizontais Profundos FS - Fator de Segurança GAMTN - Gerência de Área de Terraplanagem de Mina Norte GEMIN - Gerência Geral de Operação de Mina Norte GEORIO - Instituto Geológico do Rio de Janeiro HD - Hematita dura ou compacta HM - Hematita mole ou friável IAEG - International Association for Engineering Geology/ Associação Internacional de Geologia de Engenharia IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas IDESP - Instituto de Desenvolvimento do Estado do Pará NBR - Norma Técnica Brasileira PA - PARÁ PRO - Procedimento Operacional ROM - Run of Mine/ Produção da mina SISPAD - Sistema de Padronização Vale USGS - United States Geological Survey/ Serviço Geológico dos Estados Unidos SÍMBOLOS c’ – Coesão do material F – Coeficiente de segurança ∑ F a – Somatório das forças atuantes Fe – Ferro ∑ F r – Somatório das forças resistentes FS – Fator de segurança FS adm – Fator de segurança admissível Ga – Mil milhões de anos ∑ M a – Somatório de momentos atuantes ∑ M r – Somatório de momentos resultantes Mt – Milhões de toneladas S – Resistência ao cisalhamento do material σ – Tensão normal ao plano de ruptura ϕ – ângulo de atrito π – Tensão cisalhante atuante SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 17 1.1 OBJETIVO ......................................................................................................................... 18 1.1.1 Objetivos específicos ...................................................................................................... 18 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA .......................................................................................... 19 2.1 TALUDES ......................................................................................................................... 19 2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TALUDES ................................................................................. 20 2.2.1 Classificação geométrica ............................................................................................... 20 2.2.2 Classificação quanto à formação .................................................................................. 21 2.2.3 Classificação quanto ao material.................................................................................. 23 2.3 MOVIMENTOS DE MASSAS EM TALUDES ............................................................... 24 2.3.1 Tipos de movimentos de massas ................................................................................... 24 2.3.1.1 Escoamentos ................................................................................................................. 27 2.3.1.2 Subsidências ................................................................................................................. 28 2.3.1.3 Escorregamentos ........................................................................................................... 31 2.4 ESTABILIDADE DE TALUDES ...................................................................................... 32 2.4.1 Análise de estabilidade de taludes ................................................................................ 33 2.4.2 Fatores de instabilização de taludes ............................................................................. 33 2.4.3 Superfícies de ruptura ................................................................................................... 35 2.4.4 Coeficiente de segurança ............................................................................................... 35 2.5 OBRAS DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES .............................................................. 37 2.5.1 Reconstrução em aterros............................................................................................... 37 2.5.2 Retaludamento ............................................................................................................... 38 2.5.3 Obras de contenção ....................................................................................................... 40 2.5.3.1 Muros de arrimo ........................................................................................................... 40 2.5.3.2 Obras especiais de estabilização ................................................................................... 42 2.5.3.3 Soluções alternativas em aterros .................................................................................. 44 2.5.4 Obras de drenagem ....................................................................................................... 44 2.5.5 Obras de proteção superficial ....................................................................................... 46 2.6 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM RETALUDAMENTO ........................................ 47 2.6.1 Trator de esteiras com lâminas .................................................................................... 47 2.6.2 Escavadeira com caçamba “shovel” ............................................................................. 48 2.6.3 Escavadeira com caçamba “drag-line” ou de arrasto ................................................ 49 2.6.4 Escavadeira de acionamento hidráulico ...................................................................... 49 3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................... 51 3.1 LOCALIZAÇÃO E ACESSO DA ÁREA ESTUDADA ................................................... 52 3.2 ASPECTOS FISIOGRÁFICOS ......................................................................................... 54 3.3 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS ............................................................................. 55 3.4 ESTRUTURAÇÃO DA OPERAÇÃO DE MINA ............................................................. 57 3.5 PROJETO DE TALUDES ................................................................................................. 58 3.5.1 Etapas do processo de construção de taludes da cava ................................................ 59 3.5.2 Projeto geométrico e construção de taludes operacionais ......................................... 59 3.6 PROCEDIMENTO DE RETALUDAMENTO COM TRATOR CATERPILLAR D11 ... 61 3.7 MELHORIAS IMPLANTADAS NO RETALUDAMENTO ............................................ 63 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 66 4.1 ANÁLISE DE PARÂMETROS DE SEGURANÇA ......................................................... 66 4.2 ANÁLISE DE PARÂMETROS PRODUTIVOS .............................................................. 66 4.3 ANÁLISE DE PARÂMETROS OPERACIONAIS .......................................................... 67 4.4 ANÁLISE DE PARÂMETROS ECONÔMICOS ............................................................. 67 5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 69 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 71 17 1 INTRODUÇÃO Em decorrência dos desastres ocorridos nos grandes centros urbanos em função dos deslizamentos de encostas e de outros acidentes envolvendo movimentos de massas, os estudos de estabilização de taludes naturais e artificiais se fazem cada vez mais necessários. Pois na grande maioria destes acidentes, os danos não são somente materiais, mas humanos também. No caso das minas a céu aberto, o processo de estabilização de taludes se faz importante pela garantia de segurança para a execução das operações de mina. Sendo que tal procedimento é realizado de forma minuciosa e detalhada, pois os taludes de uma mina são projetados antes do início da operação. O projeto consta basicamente de quatro etapas: projeto, lavra, acabamento, manutenção e abandono dos taludes (plano de fechamento de mina). Na análise de estabilidade de taludes vários parâmetros são levados em consideração, como fatores geológicos, geotécnicos, geométricos e hidrogeológicos. A partir da análise do conjunto destes fatores e do método de análise utilizado (observacionais, probabilísticos e determinísticos), será tomada a decisão de quais medidas serão adotadas para evitar o acontecimento de movimentos de massas. As técnicas utilizadas para garantir a estabilidade dos taludes se baseiam em obras estabilizadoras, sendo divididas em: reconstrução de aterros, desenvolvimento de sistemas de drenagem, obras de proteção superficial, contenções e retaludamento. O processo de estabilização de taludes e encostas se torna mais eficiente quando são agrupados os diversos sistemas estabilizantes existentes. O retaludamento consiste basicamente na mudança de geometria ou de ângulo de inclinação de um talude natural ou de escavação visando a sua estabilidade. Este procedimento é executado por ser eficaz e apresentar baixo custo. O retaludamento é executado à medida que se realiza o aprofundamento da cava. 18 1.1 OBJETIVO O presente trabalho de conclusão de curso tem por objetivo a análise da atividade de retaludamento executado nas minas de ferro de Carajás, Pará. Analisou-se o procedimento de retaludamento antigo executado por tratores de esteiras com lâmina, Caterpillar D11, e o procedimento implementado de melhorias proposto pela Sotreq, executado por escavadeiras de acionamento hidráulico, Caterpillar 345 D. Assim como a elaboração e implantação de um procedimento operacional padrão do retaludamento na operação de mina de Carajás, realizado por escavadeiras de acionamento hidráulico. 1.1.1 Objetivos específicos Através da mudança de procedimento de execução do retaludamento, o estudo possui como objetivos específicos: Geração de ganhos em segurança, através da minimização dos riscos existentes aos equipamentos e seus operadores na execução do retaludamento; Realização de ganhos operacionais por via da liberação dos tratores de esteiras para outras atividades da operação de mina; Obtenção de ganhos produtivos através do aumento de produtividade em face da troca de procedimento; Realização de economia financeira com a redução de custos: com consumo de óleo diesel; manutenção; materiais de desgaste; e aquisição de equipamentos. 19 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 TALUDES Segundo Suassuna (2006), taludes são superfícies que formam um ângulo com o plano horizontal de referência, definindo fronteira entre o interior do solo e a atmosfera (figura 1). FIGURA 1 - Ângulo de talude com a horizontal. Fonte: Suassuna (2006). Os taludes de uma mina a céu aberto são compostos basicamente por: ângulo de face do talude, que é a inclinação apresentada individualmente por uma bancada, formada pela interseção entre o plano da berma e o alinhamento entre o pé e a crista; ângulo entre rampas, é o ângulo de talude intermediário aos acessos e rampas da cava, formado pelo alinhamento de um conjunto de bancos e o plano horizontal do fundo da cava; ângulo geral dos taludes, é o ângulo formado pelo alinhamento que passa pelo pé do conjunto de bancos e plano horizontal do fundo da cava ou pilha de estéril; banco ou bancada: pacote compreendido entre a linha de pé da bancada superior e a linha de pé da bancada imediatamente inferior ou vice-versa; berma: superfície compreendida entre o pé da bancada superior e a crista da bancada inferior; crista da bancada: é o limite superior do perfil do banco ou bancada; Talude: superfície inclinada ou não, formada pela face livre remanescente nas regiões de lavra ou de disposição de estéril. 20 A figura 2 permite a visualização das estruturas que compõem os taludes de uma mina á céu aberto. FIGURA 2 – Desenho esquemático ilustrando algumas das estruturas que compõem uma cava. Fonte: Vale S/A (2008). 2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TALUDES Para a classificação dos taludes são considerados três fatores: o geométrico, o genético e o material que compõe o talude. Pois geometricamente os taludes podem apresentar várias formas distintas, e geneticamente estes podem ser naturais ou de escavação. 2.2.1 Classificação geométrica Segundo Gerscovich (2009) em relação à forma geométrica os taludes são classificados em: lineares, côncavos e convexos. Podendo apresentar características de mais 21 de uma classificação, pois são analisadas as geometrias da face do talude, da crista e do pé do talude (figura 3). FIGURA 3 – Tipos e formas geométricas de taludes ou encostas. Fonte: Chorley (1984 apud GERSCOVICH, 2009). 2.2.2 Classificação quanto à formação Em relação à formação dos taludes, estes são classificados em taludes naturais e artificiais ou de escavação. Taludes naturais ou encostas naturais são definidos como superfícies inclinadas de maciços terrosos, rochosos ou mistos (solo e rocha), originados de processos geológicos e geomorfológicos diversos (figura 4). Os taludes naturais possuem estrutura particular, e estão intimamente ligados ao histórico de tensões sofridos: erosão, tectonismo, intemperismo, dentre outros. Durante a sua formação fatores geológicos (litologia, estruturação e geomorfologia) e fatores ambientais (clima, topografia e vegetação) atuam de forma isolada ou em conjunto (MARANGON, 2007). 22 FIGURA 4 – Talude Natural. Fonte: Passos et al. (2010). Segundo Passos et al.(2010), taludes artificiais são os declives de aterros diversos construídos pelo homem, onde as ações humanas alteram as paisagens primeiras, atuando sobre os fatores ambientais, modificando a vegetação, alterando topografias, podendo inclusive alterar o clima da região. Os taludes artificiais são subdivididos em duas classes: taludes de corte e taludes de aterro. Taludes de corte são originados a partir de escavações antrópicas diversas, como taludes da cava de uma mina (figura 5), os taludes presentes nas margens de rodovias e outros. FIGURA 5 – Talude de corte na cava da mina de N5WN, Carajás, Pará. Fonte: Furtado (2012). 23 Taludes de aterro referem-se ao declive de aterros construídos a partir de materiais de diferentes granulometrias e origens, incluindo rejeitos industriais, urbanos ou de mineração (figura 6). FIGURA 6 – Pilha de deposição de estéril, exemplo de talude de aterro. Fonte: Gomes (2010). 2.2.3 Classificação quanto ao material Como citado anteriormente no conceito de talude, os taludes podem ser classificados em relação ao material em que o mesmo está inserido. Este material pode ser: solos, rochas ou outros materiais como resíduos industriais (escórias), resíduos de mineração, lixo e etc... (figura 7). FIGURA 07 – Á esquerda taludes da mina de N4WN, Carajás, Pará, exemplo de taludes em rocha. Na direita, deslizamento em taludes construídos em solo. Fonte: Furtado (2012)/Gerscovich(2009). 24 2.3 MOVIMENTOS DE MASSAS EM TALUDES Guidicini & Nieble (1984) definem movimento de massas como todo e qualquer movimento coletivo de materiais terrosos e/ou rochosos independentemente da diversidade de processos, causas, velocidades, formas e demais características apresentadas pelo fenômeno. Segundo a Associação Brasileira de Geologia de Engenharia - ABGE (1998 apud MARANGON, 2007), a execução de cortes em maciços pode ser fator condicionante para a ocorrência de movimentos de massa ou, mais especificamente, escorregamento de taludes, desde que as tensões cisalhantes ultrapassem a resistência ao cisalhamento de materiais, ao longo de determinadas superfícies de ruptura. Assim pode-se dizer que taludes provenientes da má execução de aterros, também podem levar ao movimento de massas de solos. 2.3.1 Tipos de movimentos de massas Os movimentos de massa se distinguem em função de dois fatores: velocidade de movimentação e forma de ruptura. A partir da identificação destes fatores, os movimentos de massas podem ser classificados nas seguintes categorias: escoamentos, subsidências e escorregamentos (GEORIO, 2000). As erosões, também são movimentos de massa, muitas vezes não podem ser classificadas em um único grupo. Os mecanismos deflagradores dos processos erosivos podem ser constituídos de vários agentes, fazendo com que as erosões sejam tratadas separadamente (GERSCOVICH, 2009). Segundo Menezes (2012) existem vários sistemas classificadores em relação aos movimentos de massa propostos pelos autores, devido a grande variedade de enfoques possíveis na análise dos movimentos de massas. A elaboração e a adoção destes são importantes para correlacionar os tipos de movimentos com um conjunto de características e os fatores que os deflagram. Estas características podem ser a geometria do movimento, a área de alcance, os fatores condicionantes do movimento, o material instabilizado entre outros. Para Gerscovich (2009) os movimentos de massa são classificados basicamente em relação a três fatores: ao tipo de movimento; a velocidade do movimento de massa, e a profundidade em que ocorreu o movimento. 25 A classificação proposta por Varnes (1978) é a mais utilizada internacionalmente, esta distingue os movimentos de massas, juntamente com o material e a sua quantidade (Tabela 2.1). O sistema de classificação proposto por Varnes é considerada a classificação oficial da IAEG (International Association for Enginneering Geology). TABELA 2.1 – Classificação dos movimentos de taludes e encostas segundo Varnes (1978). TIPO DE MOVIMENTO TIPO DE MATERIAL Rocha Solo Fino Grosseiro Quedas/Tombamentos de rocha de terra de detritos Escorregamento Rotacional abatimento de rocha abatimento de terra abatimento de detritos Escorregamento Translacional Poucas Unidades de blocos rochosos de blocos de terra de blocos de detritos Muitas Unidades de rocha de terra de detritos Expansões Laterais de rocha de terra de detritos Corridas/Escoamentos de rocha (rastejo profundo) de terra (rastejo de solo) de detritos (rastejo de solo) Complexos Combinação no tempo e no espaço de 2 ou mais dos principais tipos de movimento Fonte: Varnes (1978). Os métodos de classificação apresentam características peculiares às áreas onde foram realizados os estudos. Por isso muitos não podem ser utilizados de forma global. No caso brasileiro o método de classificação proposto por Augusto-Filho (1992) é considerado o mais adequado (Tabela 2.2). 26 TABELA 2.2- Classificação de Augusto-Filho (1992). Processos Características do movimento, material e geometria Rastejo ou fluência Vários planos de deslocamento (internos); Velocidades de muito baixas (cm/ano) a baixas e decrescentes com a profundidade; Movimentos constantes, sazonais ou intermitentes; Solo, depósitos, rocha alterada/fraturada; Geometria indefinida; Escorregamentos Poucos planos de deslocamentos (externos); Velocidades de médias (km/h) a altas (m/s); Pequenos a grandes volumes de material; Geometria e materiais variáveis; Planares: solos pouco espessos, solos e rochas com um plano de fraqueza; Circulares: solos espessos homogêneos e rochas muito fraturadas; Em cunha: solos e rochas com dois planos de fraqueza; Quedas Sem planos de deslocamento; Movimentos tipo queda livre ou em plano inclinado Velocidades muito altas (vários m/s) Material rochoso; Pequenos a médios volumes; Geometria variável: lascas, placas, blocos etc. Rolamento de matacão Tombamento Corridas Muitas superfícies de deslocamento (internas e externas à massa em movimentação); Movimento semelhante ao de um líquido viscoso; Desenvolvimento ao longo das drenagens; Velocidades de médias a altas; Mobilização de solo, rocha, detritos e água; Grandes volumes de material; Extenso raio de alcance, mesmo em áreas planas; Fonte: Gerscovich (2009). Segundo Azevedo & Marques (2002), a tabela 2.3, apresenta os termos utilizados para caracterizar qualitativamente a velocidade dos movimentos de massas, também de acordo com Varnes (1978). TABELA 2.3 – Escala de velocidade de movimentos de encostas e taludes, segundo Varnes (1978). Nomenclatura Velocidade Extremamente rápido > 3m/s Muito Rápido 0,3m/s a 3m/s Rápido 1,6m/dia a 0,3m/s Moderado 1,6m/mês a 1,6m/dia Lento 1,6m/ano a 1,6m/mês Muito lento 0,06m/ano a 1,6m/ano Extremamente lento < 0,06m/ano Fonte: Gerscovich (2009). 27 Em relação à profundidade os movimentos de massa podem ser classificados de acordo com a tabela 2.4. TABELA 2.4 – Classificação dos movimentos de massa de acordo com a profundidade. Nomenclatura Profundidade Superficial < 1,5m Raso 1,5m a 5m Profundo 5m a 20m Muito Profundo > 20m Fonte: Gerscovich (2009). 2.3.1.1 Escoamentos Para Guidicini & Nieble (1984), os escoamentos correspondem a uma deformação, ou movimento contínuo com ou sem superfície definida de movimentação, estão classificados segundo as características do movimento em dois tipos: corrida e rastejo ou reptação. Os fenômenos de corridas (figura 8) são escoamentos rápidos, de caráter hidrodinâmico, ocasionados pela perda de atrito interno, em virtude da destruição da estrutura em presença do excesso de água (GUIDICINI & NIEBLE, 1984). O processo de fluidificação pode ser gerado por: adição de água; esforços dinâmicos; e ou amolgamento de argilas muito sensitivas (GERSCOVICH, 2009). FIGURA 8 – Esquema de fluxo de detritos, exemplo de corrida. Fonte: USGS (2008). Conforme a United States Geological Survey (USGS, 2008), as corridas são subdivididas em: corridas de terra, corridas de areia, corridas de areia ou silte, corridas de lama, e avalancha de detritos. 28 Segundo a USGS (2008), denomina-se de rastejo o fluxo lento de terra, este consiste de um movimento vagaroso, imperceptível e contínuo, direcionado para baixo do solo que forma o talude (figura 9). É causado por tensão de cisalhamento interna suficiente para causar deformação, mas insuficiente para causar rupturas. As reptações são subclassificadas em: sazonais onde o movimento ocorre no interior e no fundo do solo afetado por alterações sazonais, em sua mistura e temperatura; contínuos no qual a tensão de cisalhamento contínua excede a resistência do material; e progressivo, no qual os taludes atingem o ponto de ruptura gerando outros tipos de movimentação de massas. FIGURA 9 - Esquema clássico de um rastejo, evidenciado pela mudança da verticalidade de árvores e postes. Fonte: USGS (2008). 2.3.1.2 Subsidências Subsidências são deslocamentos finitos, ou deformações contínuas, de direção vertical. São classificadas em três tipos: subsidências propriamente ditas, recalques e desabamentos ou quedas de blocos. A subsidência é definida como a consequência do deslocamento da superfície gerada pelo adensamento ou afundamento de camadas, como resultado da remoção de uma fase sólida, líquida ou gasosa (figura 10). Geralmente envolve grandes áreas e as causas mais comuns são: ação erosiva de águas subterrâneas; bombeamento de águas subterrâneas; exploração de poços petrolíferos e de gás; atividades de mineração; e efeitos de vibração em sedimentos não consolidados (GERSCOVICH, 2009). 29 FIGURA 10 – Esquema de subsidência causada por mineração. Fonte: Singh & Kendorski (1981). Já os recalques são definidos como movimentos verticais de uma estrutura provocados pelo próprio peso ou pela deformação do subsolo por outro agente (figura 11). As causas mais comuns são: ação do peso próprio; remoção do confinamento lateral devido às escavações; e rebaixamentos de lençóis freáticos (GUIDICINI & NIEBLE, 1984). FIGURA 11 – Ocorrência de recalque em aterro sobre solo mole. Fonte: IPT (1991). Desabamentos ou tombamentos e quedas são formas de subsidências bruscas, envolvendo colapso na superfície, provocadas pela ruptura ou remoção total, ou parcial do substrato (GUIDICINI & NIEBLE, 1984). 30 As quedas são movimentos repentinos de rochas ou terra, ou ambos que se desprendem de taludes íngremes, são causados pela erosão regressiva do talude por processos naturais (figura 12); atividades humanas como escavações para construção de estradas, por exemplo; terremotos ou outras vibrações intensas (USGS, 2008). FIGURA 12 – Queda rochosa em Clear Creek Canyon, Colorado, EUA, em 2005. Fonte: Colorado Geological Survey (2005 apud USGS, 2008). Os desabamentos ou tombamentos são identificados por uma rotação frontal de uma massa de solo ou rocha para fora do talude, em torno de um ponto, ou eixo, abaixo do centro da gravidade da massa deslocada (figura 13). Ás vezes são causados pela gravidade exercida sobre o peso do material na parte superior da massa deslocada, podem conter tanto rochas, como detritos ou terra (USGS, 2008). FIGURA 13 – Esquema de tombamento. Fonte: USGS (2008). 31 2.3.1.3 Escorregamentos Os escorregamentos são movimentos rápidos de porções de taludes. Apresentam superfície de ruptura bem definida, que é função do tipo de solo ou rocha, da geometria do talude e das condições de fluxo d’água (IPT, 1991). Para Guidicini & Nieble (1984), os escorregamentos são deslocamentos finitos ao longo de superfícies definidas de deslizamento, preexistente ou de neoformação, estes se classificam também em dois subtipos, segundo ocorra predomínio de rotação ou de translação. Em solos relativamente homogêneos a superfície tende a ser circular. Caso ocorram materiais ou descontinuidades que apresentem resistências mais baixas, a superfície torna-se mais complexa, podendo incluir trechos lineares. A anisotropia com relação à resistência pode acarretar em achatamento da superfície de ruptura. Os escorregamentos rotacionais (figura 14) podem se apresentar de forma múltipla (GERSCOVICH, 2009). FIGURA 14 – Esquema de escorregamento rotacional. Fonte: USGS (2008). Segundo a USGS (2008) a massa de um escorregamento translacional (figura 15) move-se para fora ou para baixo e para fora simultaneamente, ao longo de superfícies relativamente planas, apresentando pequeno movimento rotacional ou uma leve inclinação para trás. Este tipo de escorregamento pode progredir por distâncias consideráveis, se a superfície da ruptura estiver suficientemente inclinada, ao contrário dos escorregamentos rotacionais que tendem a restaurar o equilíbrio do escorregamento. Comumente ocorrem ao longo de descontinuidades geológicas tais como falhas, junções, superfícies, estratificações, ou o ponto de contato entre rocha e solo. 32 FIGURA 15 – Esquema de escorregamento translacional. Fonte: USGS (2008). 2.4 ESTABILIDADE DE TALUDES Segundo Azevedo & Marques (2002) a estabilidade de taludes é tratada a partir de dois pontos de vista na engenharia: o projeto de taludes de cortes e aterros, com fatores de segurança contra rupturas prescritas; e o estudo da estabilidade de taludes de rocha e de obras de terra existentes, taludes potencialmente instáveis, taludes que se romperam ou taludes a serem reprojetados. O conceito de estabilidade de um talude é indeterminado, pois taludes projetados não fornecem garantia de estabilidade por muitos anos. Condições climáticas, hidrológicas e tectônicas, atividades antrópicas na área ou em suas adjacências, escavações subterrâneas ou obras de terra podem trazer mudanças que afetem a estabilização dos taludes (AZEVEDO & MARQUES, 2002). Segundo Sayão (1994 apud FIAMONCINI, 2009) a estabilidade ou instabilidade de taludes dependem dos fatores enumerados: ângulo de repouso, o valor deste ângulo varia em função do tamanho, forma e grau de seleção do material; natureza do material na encosta, a estabilidade de encostas com materiais consolidados depende de outros fatores, como estrutura da rocha (fraturas, acamamento, etc.) e posição das estruturas em relação ao relevo; quantidade de água infiltrada nos materiais, reduz a coesão, ou seja redução das tensões efetivas, entre as partículas da massa de solo. Esse efeito depende, entretanto, 33 da quantidade de água infiltrada que por sua vez depende da porosidade e permeabilidade dos materiais; inclinação da encosta, é um fator de estabilidade muito importante. Isso porque com o aumento da inclinação da encosta aumenta o efeito da força de gravidade em relação à força de atrito; presença de vegetação, é um fator adicional que define a condição de estabilidade das encostas. 2.4.1 Análise de estabilidade de taludes Pimenta (2005) disserta que a análise de estabilidade de taludes envolve um conjunto de procedimentos, que visam à determinação de um índice ou de uma grandeza que permita a quantificação do quão próximo da ruptura um talude ou uma encosta se encontra, de acordo com o conjunto de condicionantes atuantes (pressões neutras, geometria, ângulo do talude, material, sobrecargas e outras). Segundo Pimenta (2005) os métodos de análise de estabilidade são divididos em três grupos: analíticos, experimentais e observacionais. Os métodos analíticos são baseados na teoria do equilíbrio limite, análise limite e em modelos matemáticos de tensão (stress) e deformação (strain). Já os métodos experimentais são fundamentados em modelos físicos de diferentes escalas. Enquanto que os métodos observacionais são amparados na experiência acumulada com a análise de rupturas anteriores (retroanálise, ábacos de projetos, opinião de especialistas, dentre outros). 2.4.2 Fatores de instabilização de taludes De acordo com Fiamoncini (2009) as primeiras análises que se devem levar em conta nos taludes são os possíveis fatores instabilizantes que podem atuar ao longo do tempo sobre a sua estrutura. Os processos de instabilização são controlados por diferentes comportamentos cíclicos com origem na própria formação da rocha e na ação geológica e geomorfológica consequente (GUIDICINI & NIEBLE, 1984). 34 Segundo Terzaghi (1952 apud FIAMONCINI, 2009) as causas são divididas em: internas, externas e intermediárias. As causas internas são as que atuam reduzindo a resistência interna do material constituinte do talude, sem que haja mudança no aspecto geométrico (aumento da pressão hidrostática, diminuição de coesão e ângulo de atrito interno por processo de alteração). Causas externas são provocadas pelo aumento das tensões de cisalhamento, sem que haja a diminuição da resistência que igualando ou superando a resistência intrínseca do material levam o maciço a condição de ruptura (aumento da declividade por processos naturais ou artificiais de decomposição de material nas porções superiores, abalos sísmicos e vibrações). E as causas intermediárias são as que causam os efeitos de agente externos, no interior de encostas (liquefação espontânea, rebaixamento rápido e erosão regressiva ou piping). De acordo com Guidicini & Nieble (1984), as causas de instabilidade são definidas de acordo com o modo de atuação de determinado agente, ou seja, um agente pode ocorrer por meio de uma ou mais causas (tabela 2.5). TABELA 2.5 – Agentes e causas dos movimentos de massa. Agentes Causas Predisponentes Efetivos Internas Externas Intermediárias Preparatórios Imediatos Complexo geológico, complexo morfológico, complexo climatológico, complexo hidrológico, gravidade solar, tipo de vegetação Pluviosidade, erosão pela água e pelo vento, congelamento e degelo, variação da temperatura, dissolução química, ação de fontes e mananciais, oscilação do nível freático, e antrópica Chuvas intensas, fusão do gelo e neves, erosão, terremotos, ondas, vento e ação do homem Efeito das oscilações térmicas, redução dos parâmetros de resistência por intemperismo Mudanças na geometria do sistema, efeitos de vibrações, mudanças naturais na inclinação das camadas Elevação do nível piezométrico em massas homogêneas, elevação da coluna de água em descontinuidades, rebaixamento rápido do lençol freático, erosão subterrânea retrogressiva (piping), diminuição do efeito de coesão aparente Fonte: Guidicini & Nieble (1984). 35 2.4.3 Superfícies de ruptura Segundo Hudson (1997) as superfícies de ruptura são classificadas em: ruptura plana, ruptura circular, ruptura em cunha, e superfícies de ruptura qualquer (figura 16). FIGURA 16 – Tipos de superfícies de rupturas em taludes. Fonte: González de Vallejo (2002 apud TAVARES, 2010). Superfícies de ruptura circular apresentam forma de arco, em solos homogêneos sua forma é circular ou cilíndrica; já superfícies de rupturas planas desenvolvem-se ao longo da fratura ou plano de acamamento, com inclinação próxima a 90º; superfícies de ruptura qualquer ocorrem com maior incidência em solos que possuem plano de fraqueza e baixa resistência, a superfície é formada por vários segmentos de reta (FIAMONCINI, 2009). 2.4.4 Coeficiente de segurança O coeficiente de segurança ou fator de segurança (FS) é definido através da relação existente entre a resistência ao cisalhamento do solo (S) e a tensão cisalhante atuante ), de acordo com a equação 1 (SAYÃO, 1994, apud FIAMONCINI, 2009). 36 (1) Sendo que S, em termos de tensões efetivas,onde c’ é a coesão do material, σ é a tensão normal atuante, e ϕ’ é o ângulo de ruptura da superfície, é dado por: S = c’ + σ.tgϕ’ (2) De acordo com Sayão (1994, apud FIAMONCINI, 2009), as definições mais usuais de FS em análises de estabilidade de taludes são: Fator de segurança relativo ao equilíbrio de momentos: usado em analises de movimentos rotacionais, considerando-se superfície de ruptura circular, onde ∑ M r é o somatório dos momentos resistentes e ∑ M a é o somatório de momentos atuantes. (3) Fator de segurança relativo ao equilíbrio de forças: usado em analises de movimentos translacionais ou rotacionais, considerando-se superfícies planas ou poligonais, onde ∑ F r é o somatório de forças resistentes e ∑ F a é o somatório de forças atuantes. (4) De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), através da NBR 11682 (2006), o fator de segurança varia de acordo com o grau de segurança exigido em cada projeto. Gomes (2003 apud TAVARES, 2010) afirma que esse grau de segurança resultará do julgamento das consequências que poderão advir da estabilidade de um talude. Dessa forma, tem-se: alto grau de segurança (FS = 1,5), exigido no caso de proximidade imediata de edificações habitacionais, instalações industriais, obras de arte (viadutos, elevados, pontes, túneis, etc), condutos (gasodutos, oleodutos, adutoras), linhas de transmissão de energia, torres de sistemas de comunicação, barragens, rodovias e ferrovias dentro do perímetro urbano; 37 médio grau de segurança (FS = 1,3): possível em todos os casos citados anteriormente quando houver, entre o talude e o local a ser ocupado, espaço de utilização não permanente, considerado como área de segurança; baixo grau de segurança (FS = 1,15): aceitável desde que sejam instituídos procedimentos capazes de prevenir acidentes em rodovias, túneis em fase de escavação, minas, barragens etc. TABELA 2.6 – Recomendações para fatores de segurança admissíveis. FS adm RISCO DE PERDA DE VIDAS HUMANAS Desprezível Médio Elevado RISCO DE PERDAS ECONÔMICAS Desprezível 1,1 1,2 1,4 Médio 1,2 1,3 1,4 Elevado 1,4 1,4 1,5 Fonte: Georio (2000 apud TAVARES, 2010). 2.5 OBRAS DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES Segundo o IPT (1991) as obras de estabilização de taludes e encostas são classificadas nas seguintes técnicas: reconstrução em aterros; retaludamento; obras de contenção; obras de drenagem; e obras de proteção superficial. 2.5.1 Reconstrução em aterros De acordo com o IPT (1991) as obras de reconstrução em aterro são utilizadas nos casos de escorregamentos em áreas aterradas, estes ocorrem devido à má execução na construção dos mesmos (figura 17). Para que estas obras possam atingir a eficácia desejada devem seguir os seguintes parâmetros: escolha da jazida do solo, que deve ser função do tipo de solo, volume a ser extraído e localização da extração; os solos devem possuir umidades próximas à faixa especificada, destorroados e homogeneizados; limpeza do terreno na preparação da fundação; estocagem do solo superficial e da matéria orgânica para futura utilização; preparação da superfície de contato do terreno natural e do novo aterro; 38 implantação de sistemas de drenagem de base e de superfície, além de proteção vegetal superficial; e compactação do solo em espessuras adequadas aos equipamentos utilizados. FIGURA 17 – Execução adequada de bota-fora, exemplo de obra de aterro visando à estabilização de taludes. Fonte: IPT (1991). 2.5.2 Retaludamento Segundo o IPT (1991) retaludamento são obras de terraplanagem, com vistas à estabilização de um talude ou uma determinada região. Ou seja, são a execução de cortes que visam abrandar a inclinação dos taludes de um determinado local, visando à estabilização dos mesmos (figura 18). . FIGURA 18 – Esquema de retaludamento. Fonte: Téchne (2004 apud FIAMONCINI, 2009). 39 Para Hoek & Londe (apud GUIDICINI & NIEBLE, 1984), retaludamento é a mudança de geometria de um talude através da redução da sua altura ou do ângulo do talude. A maior vantagem apresentada pelo retaludamento sobre os outros métodos é de que seus efeitos são permanentes, já que a melhora na estabilidade é atingida por uma mais efetiva utilização das propriedades inerentes ao maciço e pelas mudanças permanentes no sistema de forças atuantes no talude (GUIDICINI & NIEBLE, 1984). Porém Guidicini & Nieble (1984) afirmam que nem sempre as obras de retaludamento são as mais efetivas, pois a redução da altura (figura 19), ou do ângulo do talude (figura 20), não só reduz as forças solicitantes que tendem a induzir a ruptura, mas também reduzem a tensão normal e, portanto a força de atrito resistente, esta depende basicamente da tensão normal atuante na superfície considerada. Isto é reafirmado por Loturco (1983 apud FIAMONCINI, 2009) que disserta sobre a inviabilidade de aplicação do retaludamento quando o espaço é escasso ou a vegetação não pode ser retirada devendo ser previstas canaletas de coleta e escadas hidráulicas para descarte da água com recobrimento vegetal a fim de evitar a erosão. FIGURA 19 – Retaludamento através de corte com redução da altura do talude. Fonte: IPT (1991). FIGURA 20 – Estabilização de talude através de execução de aterro na sua base. Fonte: IPT (1991). 40 2.5.3 Obras de contenção Contenção é todo elemento ou estrutura destinado a contrapor-se a empuxos ou tensões geradas em maciço cuja condição de equilíbrio foi alterada por algum tipo de escavação, corte ou aterro (RANZINI et al. 1998 apud FIAMONCINI, 2009). Segundo o IPT (1991) obras de contenção são todas aquelas estruturas, que uma vez implantadas em um talude, estas oferecem resistência à movimentação deste ou à sua ruptura, ou ainda que reforcem uma parte do maciço, de modo que esta parte possa resistir aos esforços tendentes à instabilização do mesmo. As obras de contenção são classificadas em: muros de arrimo, obras especiais de estabilização e soluções alternativas em aterros. 2.5.3.1 Muros de arrimo Os muros de arrimo são estruturas de contenção utilizados juntamente a base de taludes que apresentam instabilidade: os muros de arrimo estão classificados em três classes: muros tipo gravidade, muros de concreto armado e cortinas cravadas. Os muros tipo gravidade podem ser dos seguintes tipos: muros de pedra seca; muros de pedra argamassada; muros de concreto ciclópico; muros de solo cimentado; muro de gabiões; e crib-walls (figura 21). FIGURA 21 – Muro de gabiões, á esquerda; e Crib-walls, à direita. Fonte: Passos et al.(2010). 41 De acordo com o IPT (1991), os muros de arrimo de concreto armado são associados à execução de aterros ou reaterros, estes garantem a estabilidade através do seu próprio peso e do peso da porção de solo adjacente, que funciona como parte integrante da estrutura de arrimo (figura 22). FIGURA 22 – Esquema de muro de concreto armado. Fonte: IPT (1991). São indicadas para estabilização de taludes e encostas de baixo porte. São suscetíveis à flexão, são deformáveis e, em geral, utilizadas de forma provisória (figura 23). Consiste de estacas ou perfis metálicos cravados no solo justapostos ou descontínuos, no segundo caso, o vão é fechado com pranchões de madeira ou placas de concreto armado (LOTURCO 1983 apud FIAMONCINI, 2009). FIGURA 23 – Exemplo de cortina cravada. Fonte: IPT (1991). 42 2.5.3.2 Obras especiais de estabilização As obras especiais de estabilização são as seguintes: tirantes e chumbadores; cortinas atirantadas; e microestacas. Os tirantes possuem como objetivo ancorar massas de solo ou blocos de rocha, através do incremento de força gerada pela protensão destes elementos, que transmitem os esforços diretamente a uma zona mais resistente do maciço através de fios, barras ou cordoalhas de aço (figura 24). FIGURA 24 – Esquema típico de ancoragem. Fonte: Incotep (2008 apud FIAMONCINI, 2009). Chumbadores são barras de aço fixadas com calda de cimento ou resina, com o objetivo de conter blocos isolados, fixar obras de concreto armado, sem o uso de protensão (IPT, 1991). As cortinas atirantadas são consideradas, dentre as obras de contenção de taludes e encostas, as de maior eficácia, versatilidade e segurança. Trata-se da execução de elementos verticais ou subverticais de concreto armado, que funcionam como paramento e que são ancorados no substrato resistente do maciço através de tirantes protendidos (figura 25). 43 FIGURA 25 – Exemplo de aplicação de uma cortina atirantada. Fonte: IPT (1991). Segundo o IPT (1991) o uso de microestacas em taludes naturais ou de cortes é feito através da introdução das estacas na forma de reticulados (figura 26). A armadura das estacas, assim como a cobertura de cimento ou argamassa, funciona como reforço ao maciço, otimizado pela injeção sob pressão que produz excelente aderência entre a estaca e o terreno circundante. FIGURA 26 – Exemplo de aplicação de estacas raiz, na estabilização de taludes. Fonte: IPT (1991). 44 2.5.3.3 Soluções alternativas em aterros As soluções alternativas para estabilização de aterros mais utilizados são as obras de terra armada (figura 27) e o reforço de aterros com utilização de geotêxtil. Os maciços em terra armada são constituídos através da associação de solo compactado e armaduras, completada por um paramento externo composto de placas, denominado de pele (IPT, 1991). FIGURA 27 – Detalhes de uma terra armada. Fonte: IPT (1991). Aterros reforçados com geotêxtil são maciços formados por uma composição básica de dois materiais: solo e mantas geotêxteis. Este tipo de obra apresenta baixo custo, facilidade e rapidez na execução (IPT, 1991). 2.5.4 Obras de drenagem De acordo com o IPT (1991) as obras de drenagem têm por finalidade a captação e o direcionamento das águas do escoamento superficial, assim como a retirada da água de percolação interna do maciço. Segundo o Centro Brasileiro para Conservação da Natureza e Desenvolvimento Sustentável (CBCN, 2010), o objetivo de uma drenagem eficiente é efetuar um escoamento seguro para locais com estabilidade geotécnica, evitando a mobilização de partículas do solo em decorrência do escoamento superficial. As estruturas de drenagem devem possuir as 45 seguintes características: confiabilidade dos materiais utilizados; durabilidade dos materiais utilizados; facilidade de manutenção; e segurança. As obras de drenagem são classificadas em: obras de drenagem superficial e em obras de drenagem subterrânea ou profunda. A drenagem superficial realiza a captação do escoamento das águas em superfície através de canaletas, valetas, sarjetas ou caixas de captação e, em seguida, conduz estas águas para um local adequado. Através da drenagem superficial se evitam as erosões na superfície dos taludes e se reduz á infiltração da água nos maciços, diminuindo os efeitos da saturação do solo sobre a sua resistência (IPT, 1991). Os sistemas de drenagem superficial mais utilizados são: canaletas longitudinais de berma; canaletas transversais de berma; canaletas de crista; canaletas de pista; canaletas de pé ou de base; saídas laterais; escadas d’água; caixas de dissipação; e caixas de transição (figura 28). FIGURA 28 – Indicação dos diversos dispositivos de um sistema de drenagem superficial. Fonte: IPT (1991). 46 A drenagem subterrânea ou profunda tem como objetivo promover processos que resultem na retirada de água da percolação interna do maciço, reduzindo a vazão de percolação e as pressões neutras intersticiais. A drenagem subterrânea pode ser realizada por drenos sub-horizontais, que funcionam por fluxo gravitacional, poços de alívio, ponteiras, trincheiras drenantes ou galerias. Em encostas naturais e taludes de corte, empregam-se com maior frequência drenos sub-horizontais (chamados também de drenos horizontais profundos ou DHP) (IPT, 1991). 2.5.5 Obras de proteção superficial A função, das obras de proteção superficial, é impedir a formação de processos erosivos e diminuir a infiltração de água no maciço através da superfície exposta no talude, estas obras são classificadas de acordo com a natureza dos materiais utilizados, naturais ou artificiais (IPT, 1991). As obras de proteção superficial naturais mais utilizadas são: cobertura vegetal de médio a grande porte; cobertura vegetal com gramíneas; proteção com pano de pedra; e biomantas (figura 29). FIGURA 29 – Aspecto visual de talude de corte onde foram aplicadas biomantas antierosivas. Fonte:CBCN (2010). Em relação as obras de proteção superficial artificiais, os materiais mais utilizados são: proteção com imprimação asfáltica; proteção com argamassa; proteção com concreto projetado ou gunita; e proteção com telas. 47 2.6 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM RETALUDAMENTO Os equipamentos de terraplanagem mais utilizados na execução do retaludamento de encostas ou de taludes de corte e aterro são: trator de esteiras com lâmina; escavadeira com caçamba “shovel”; escavadeira com caçamba “drag-line” ou de arrasto; motoniveladoras; e escavadeiras de acionamento hidráulico. 2.6.1 Trator de esteiras com lâmina Os tratores de esteiras com lâmina são os equipamentos mais versatéis utilizado em terraplanagem, utilizados em todas as etapas deste tipo de obra. Em obras de retaludamento este equipamento executa com muita eficiência cortes em meia encosta (figura 30), cortes com canto de lâmina e escarificação de material resistente (CATALANI & RICARDO, 2007). FIGURA 30 – Corte em meia encosta. Fonte: Catalani & Ricardo (2007). Segundo Catalani & Ricardo (2007), os tratores com lâmina podem ser empregados no acabamento dos taludes de corte, utilizando-se a inclinação lateral da lâmina e executando o corte com o canto da mesma. Esta operação, apresenta o incoveniente de obrigar o equipamento a operar com forte inclinação, sobrecarregando os esforços sobre uma das esteiras, o que ocasiona desgaste desigual na parte rodante (figura 31). 48 FIGURA 31 – Corte com canto de lâmina. Fonte: Catalani & Ricardo (2007). 2.6.2 Escavadeira com caçamba “shovel” São utilizados para escavar taludes situados acima do nível em que se encontra a escavadeira. Não é o equipamento mais recomendado pois não atinge com eficácia o ângulo exigido pelo plano geométrico (figura 32). FIGURA 32 – Escavadeiras “shovel” trabalhando em taludes. Fonte:Catalani & Ricardo (2007). 49 2.6.3 Escavadeiras com caçamba “drag-line” ou de arrasto Escavadeiras do tipo “drag-line” são utilizadas para escavar materiais pouco consistentes. Estes equipamentos escavam taludes situados abaixo do nível em que a máquina se encontra (figura 33). A correção de defeitos decorrentes da alteração do ângulo de talude, através da utilização de “drag-lines”, é muito difícil de ser feito, este equipamento realiza a remoção da terra que tenha ficado em excesso, mas isto implica em um trabalho difícil e oneroso (CATALANI & RICARDO, 2007). FIGURA 33 – Acerto de taludes através da utilização de “drag-lines”. Fonte: Catalani & Ricardo (2007). 2.6.4 Escavadeiras de acionamento hidráulico O retaludamento executado através de retroescavadeiras de acionamento hidráulico é executado com cortes em trincheira. A profundidade do corte é o mesmo do comprimento do braço da escavadeira (stick). São utilizadas para realizarem a conformação final do ângulo de face do talude, para isso as escavadeiras são posicionadas frontalmente ao talude (figura 34). 50 FIGURA 34 – Escavadeira de acionamento hidráulico Caterpillar 345D. Fonte: Caterpillar (2009). 51 3 MATERIAIS E MÉTODOS O presente estudo foi realizado durante o período de estágio realizado na empresa Vale S/A, nas minas de minério de ferro, localizadas no complexo minerador de Carajás, no município de Parauapebas, Estado do Pará, durante os meses de julho a novembro de 2012. A empresa Vale S/A possui uma parceria com a empresa Sotreq, revendedora de equipamentos Caterpillar e responsável também por consultorias e apoio ao cliente. Com isso a Sotreq oferece aos seus consumidores consultorias de melhorias operacionais, visando o aumento da produtividade dos equipamentos de seus clientes, através de mudanças de procedimentos operacionais, ou substituição de equipamentos por outros mais adequados às necessidades de seus compradores, promovendo ganhos: operacionais, produtivos, operacionais, ambientais e de segurança. Com a execução do programa de melhoria contínua realizado entre a Sotreq e a Vale S/A, foram analisados, durante o período citado, a realização de retaludamento por tratores de esteiras com lâmina e escavadeiras de acionamento hidráulico, visando à implantação de melhorias no procedimento utilizado para estabilizar os taludes, das cavas existentes no complexo de Carajás. Toda atividade operacional e que possua riscos á segurança dos funcionários, deve possuir um procedimento operacional padrão, indicando como a atividade deve ser realizada, com a maior segurança possível. O retaludamento de mina foi implantado na Gerência Geral de Operação de Mina Norte (GEMIN), porém a atividade não possuía um procedimento operacional padrão (PRO), registrado no Sistema de Padronização Vale (SISPAD). Analisou-se toda a atividade de retaludamento, desde o recebimento da solicitação de serviço até a informação de conclusão de serviço, para a criação do PRO da atividade. O acordo entre a Sotreq e a Vale S/A propiciou a análise do procedimento executado, proporcionando a implantação de melhorias para o mesmo. Foram realizados acompanhamentos in loco das operações de retaludamento, com o objetivo de verificar variáveis que tornem a atividade improdutiva, e contabilização dos ciclos executados pelos equipamentos envolvidos na atividade. A produtividade dos equipamentos foi calculada através da tomada de horas produtivas das máquinas, durante o acompanhamento em campo, e com o cálculo da 52 quantidade de material movimentado, realizado através da diferença fornecida pelos serviços de topografia realizados antes e após a execução da atividade. Ganhos em segurança foram propostos através da análise de como era realizada a atividade, e assim houve a criação de procedimentos que propiciam a execução do retaludamento com mais segurança. Economicamente, foram analisados os ganhos proporcionados pelo aumento da produtividade, assim como redução de gastos com: manutenção, materiais de desgaste, consumo de óleo diesel e preço de aquisição de escavadeiras de acionamento hidráulico Caterpillar 345D e tratores de esteiras Caterpillar D11. Do ponto de vista operacional se analisou os movimentos executados em campo pelos operadores, que ofereciam riscos aos equipamentos, e consultados os manuais dos mesmos, fornecidos pelos seus fabricantes, para realização da escolha dos maquinários mais adequados as necessidades operacionais apresentadas. Os itens subsequentes apresentam detalhes: geográficos, geológicos e fisiográficos da região onde o trabalho de conclusão de curso foi realizado, a metodologia de retaludamento anteriormente utilizada, e as melhorias propostas e utilizadas atualmente nas minas de ferro de Carajás, para execução da estabilização dos taludes de mina através de obras de retaludamento. 3.1 LOCALIZAÇÃO E ACESSO DA ÁREA ESTUDADA As minas de minério de ferro de Carajás estão localizadas na Serra de Carajás, município de Parauapebas (figura 35). O município de Parauapebas localiza-se no sudeste do Estado do Pará, se encontra a 547 km (em linha reta) da capital Belém. Parauapebas faz fronteira com os seguintes municípios: Marabá (ao norte), Curionópolis (a leste), São Félix do Xingu (a oeste), Canãa dos Carajás (ao sul) e Água Azul do Norte (ao sul). 53 FIGURA 35 – Localização do município de Parauapebas, Pará, e o seu entorno. Fonte: Sepof (2011 apud FURTADO & BURIL, 2012). A cidade pode ser acessada via aérea através do aeroporto de Carajás. O município também pode ser acessado via rodoviária através da PA -275 que interliga o município a Eldorado dos Carajás, onde se encontra com a PA-150 que liga a capital Belém ao sul e sudeste paraense. Via rodoviária Parauapebas se localiza a cerca de 720 km de Belém. Outra alternativa de acesso ao município é via ferroviária através da linha férrea Carajás-Itaqui, que liga a serra dos Carajás ao Porto de Itaqui, localizado no município de São Luís, capital do Estado do Maranhão. A ferrovia é utilizada para escoar a produção de minério de ferro proveniente das minas de Carajás (figura 36). FIGURA 36 – Localização da estrada de ferro que liga Carajás ao porto de Itaqui no Maranhão. Fonte: Frasa (2000 apud SILVA, 2011). 54 As minas de ferro de Carajás localizam-se a cerca de 45 km da zona urbana de Parauapebas, o acesso é feito através de via rodoviária, pela Rodovia Raymundo Mascarenhas. 3.2 ASPECTOS FISIOGRÁFICOS O relevo da região de Parauapebas possui grande variação altimétricas, as cotas mais baixas variam entre 200 a 300 metros, já os níveis mais elevados oscilam entre 800 a 900 metros de altitude, e são localizados em áreas das Serras dos Carajás, Arqueada, do Buriti ou do Rabo (IDESP, 2011). O município encontra-se na bacia hidrográfica do rio Itacaiúnas, que é uma sub-bacia da bacia do rio Tocantins. O rio Itacaiúnas é o mais importante da região, ele nasce a sudoeste de Parauapebas, na região da Serra da Seringa, e atravessa regiões serranas como a da Serra dos Carajás, limitando em parte com o município de Marabá, onde desagua no rio Tocantins. Durante seu percurso recebe pela sua margem direita os rios Novo e Parauapebas, que banha a sede do município. E pela margem esquerda recebe os rios Água Preta, Piranhas e Caeté (IDESP, 2011). Segundo a classificação de Köppen o clima da região enquadra-se na categoria de equatorial superúmido. A temperatura média anual é de 26,35ºC, com máxima de 32,01ºC e mínima de 22,71ºC. A umidade relativa do ar apresenta oscilações entre 52% a 100%, com média de 78%. O índice pluviométrico anual está em torno de 2.000 mm, sendo o período de novembro a maio o mais chuvoso (IDESP, 2011). O grande domínio vegetal de Parauapebas é da floresta de terra firme, a qual sofre alterações tipológicas, de acordo com as variações de solo e relevo, proporcionando a ocorrência dos subtipos: floresta densa dos platôs, floresta densa submontana, floresta aberta latifoliada (cipoal) e floresta aberta mista (cocal). Dominando o cimo de algumas cristas e chapadas, ao Sul da Serra de Carajás, encontram-se campos e cerrados, com predominância de vegetação xerofítica. A implantação de fazendas de pecuárias e de cultivos migratórios propiciou a ocorrência de pastagens cultivadas e vegetação de capoeira. 55 3.3 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS Os enormes depósitos de ferro da Serra dos Carajás são depósitos do Neo-Arqueano (2,8 – 2,5 Ga) localizado no Cráton Amazonas (figura 37). FIGURA 37 - Mapa geológico simplificado da Província Carajás. Fonte: DOCEGEO (1988), Souza (1994) e Lindenmayer et al. (1998) (apud CPRM, 2003). Os depósitos de ferro de Carajás são associados à sequência vulcanossedimentar característica do Grupo Grão Pará, esta é constituída basicamente de três unidades: unidade vulcânica máfica inferior, denominada Formação Parauapebas; unidade de jaspilitos intermediária, denominada Formação Carajás; e unidade vulcânica máfica superior. Nas três unidades ocorrem a intrusão de rochas máficas a intermediárias (CPRM, 2003). Ao longo da Serra dos Carajás, o grupo Grão Pará é dividido em três segmentos: Serra Norte, Serra Leste e Serra Sul, onde o grau de metamorfismo varia sensivelmente, sendo 56 nitidamente mais elevado na Serra Sul, onde a empresa Vale S/A está realizando investimentos vultosos para a implantação do Projeto S11D que terá um “start up” inicial de 90 Mt de ROM (Run of mine). O desenvolvimento atual da mineração a céu aberto do depósito de minério de ferro de Carajás atualmente é realizado nos corpos N4 e N5, onde o metamorfismo é ausente e limitado a zonas de cisalhamento locais. Nesses corpos, o protominério é constituído por uma camada de jaspilitos, com espessura variando entre 100 e 400 m, totalmente preservados (MEIRELLES, 1986, apud CPRM, 2003). Os jaspilitos de Carajás apresentam bandas alternadas de minerais de ferro, hematita e magnetita, e de jaspe (SiO 2 ), as quais definem macroscopicamente mesobandas com espessuras que variam de milímetros a centímetros. A região ferrífera dolomítica ocorre na base dos jaspilitos. A dolomita é um carbonato com características de substituição e deve pertencer a uma fase hidrotermal rica em CO 2 posterior a formação jaspelítica. O minério de Carajás é usualmente subdividido em dois grupos: hematita friável ou hematita mole (HM); e hematita compacta ou hematita dura (HD). O minério friável ocorre principalmente de duas formas, minério pulverulento com a estrutura original totalmente destruída e minério placóide composto de finas placas milimétricas, intercaladas com material pulverulento. Ambos os materiais ocorrem em todos os depósitos com predominância local de um ou outro tipo (SILVA, 2011). Corpos de minério compacto de alto teor (teor maior do que 67% de Fe por tonelada) estão preferencialmente localizados próximos ao contato com as rochas vulcânicas/subvulcânicas inferiores, da formação Parauapebas, e normalmente apresentam auréolas de alteração hidrotermal nas rochas encaixantes. O minério compacto apresenta-se concordante com o acamamento (CPRM, 2003). Na formação de Carajás a canga ocorre capeando as ocorrências de formação ferrífera. Destacam-se no relevo por serem responsável pela sustentação dos platôs. Na região se separam dois tipos distintos de canga: canga de minério, que flanqueia os afloramentos de minério in situ, e é formada por blocos de hematita cimentados por óxidos hidratados de ferro. Possui teor de ferro mais alto que a canga estrutural e menor teor de alumina; e canga estrutural que cobre geralmente as rochas máficas (ferro-magnesianas, rochas escuras) decompostas e não possui continuidade estrutural com as rochas subjacentes. O cimento da canga é a goethita com estruturas coloformes e abundantes poros e cavidades. O teor de Fe é baixo, sendo elevado o fósforo e a alumina (DOCEGEO, 1988). 57 O minério de ferro explorado pela Vale S/A foi originado a partir da atuação dos mecanismos de alteração laterítica que provocaram uma dessilificação (lixiviação supergênica da sílica) dos jaspilitos e uma concentração residual da hematita. A contaminação por fósforo presente na parte superior do perfil de alteração é de origem orgânica. Atualmente a produção de Carajás é de cerca de 110 Mt de minério de ferro com teor médio de 64,5% de Fe/t (VALE S/A, 2013). As reservas totais foram estimadas como superiores a 18 bilhões de t de minério com teores variando entre 60 a 67% de Fe (CPRM, 2003). 3.4 ESTRUTURAÇÃO DA OPERAÇÃO DE MINA A província mineral de Carajás possui reservas dos mais diversos minérios de metais como: ferro, cobre, níquel, ouro, prata, platina e outros. Mas as de maior destaque são as imensas reservas de minério de ferro de alto teor, existentes na província. Os depósitos de ferro se encontram em exploração desde 1985 pela empresa Vale S/A, antiga estatal Companhia Vale do Rio Doce (CVRD). Atualmente estão em exploração os corpos N4 e N5 de Serra Norte, com um total de cinco minas. São as minas de N4E, N4WN, N5W, N5E e mais recentemente N5S, onde as explorações foram iniciadas em 2012 (figura 38). E encontra-se em fase de desenvolvimento a mina de N4WS. 58 FIGURA 38 – Visualização das minas de ferro de Carajás. Fonte: Frasa (2000 apud SILVA, 2011). A Diretoria de Ferrosos Norte (DIFN) é responsável por toda a gestão das minas de ferro situadas no complexo de Carajás, esta diretoria possui seis gerências gerais, dentre elas a Gerência de Operação de Mina Nortes (GEMIN), responsável por todas as atividades executadas na operação das minas de minério de ferro. A GEMIN possui outras quatro gerências de área dentre elas a Gerência de Terraplanagem de Mina Norte (GAMTN), que é responsável pelos serviços de manutenção e desenvolvimento de pistas, rampas e acessos, drenagem de mina, sinalização de mina, e estabilização de taludes através da execução das obras de retaludamento. 3.5 PROJETO DE TALUDES O planejamento de longo prazo é a área responsável pelo planejamento anual das cavas, esta indica a necessidade de construção ou modificação das diversas estruturas ao longo do tempo, considerando o horizonte previsto no plano de desenvolvimento de longo prazo da empresa. A equipe de geotecnia de mina é a responsável pela gestão das estruturas geotécnicas, incluindo: os projetos geométricos e de drenagens, acompanhamento da 59 execução de obras civis, monitoramento das obras e estruturas geotécnicas, realização de inspeções periódicas dos taludes, instrumentação geotécnica e desativação de estruturas de mina. O planejamento de curto prazo é a área responsável pelo acompanhamento e fiscalização da execução dos taludes, realizada pelo setor de operação de mina. 3.5.1 Etapas do processo de construção de taludes da cava O planejamento de longo prazo, a partir do modelo geológico-estrutural e geomecânico, elabora o projeto da cava final e das cavas intermediárias, onde é definida a geração de minério e estéril. Com a definição da cava economicamente mais interessante é elaborado o projeto geométrico da cava matemática. A partir dessa cava, a equipe de geotecnia e hidrogeologia faz a análise de estabilidade dos taludes e indica para o planejamento os ângulos mais adequados, segundo as características geomecânicas e setorização da cava. Essa nova cava gerada é analisada do ponto de vista econômico pela equipe de planejamento e discutida com a equipe de geotecnia até chegar-se à melhor alternativa, tanto do ponto de vista operacional e econômico, quanto de estabilidade de taludes e segurança operacional. Após consolidação final, deve ser elaborado um projeto de drenagem superficial para a cava. A partir deste projeto, a área de Meio Ambiente inicia os estudos ambientais necessários para o processo de licenciamento junto aos órgãos competentes. A área de Geotecnia de Mina deverá concluir o Projeto Executivo atendendo os prazos necessários para orçamento, contratação e implantação das obras iniciais, de responsabilidade da Engenharia, cumprindo o planejamento do Longo Prazo para início de operação da mina obedecendo aos taludes projetados. 3.5.2 Projeto geométrico e procedimento construtivo de taludes operacionais O Projeto Geométrico para os taludes necessários para atender a demanda de longo prazo de uma determinada cava deve contemplar geometria final estável geotecnicamente. A 60 equipe de geotecnia faz as análises ou contrata o projeto dos taludes mais adequados à estabilidade dos diferentes maciços existentes e fornece para o planejamento de longo prazo, responsável por projetar as cavas operacionais segundo as dimensões calculadas. Eventuais ajustes são discutidos em conjunto, para se chegar à melhor configuração geométrica do ponto de vista econômico, com a maior segurança operacional e vida útil dos taludes. Os taludes de lavra, por serem provisórios, em geral são estáveis no tempo de retomada. Caso necessário, a equipe de geotecnia vai dar o apoio necessário para a operação ou infraestrutura de mina na escavação dos taludes de lavra. Em alguns pontos da mina, durante a lavra, pode ser necessário o retaludamento, devendo ser acionada a equipe geotécnica para avaliação e projeto. Em casos mais complicados, pode ser necessário a contratação de consultoria externa e desenvolvimento de projeto específico. Deverá ser feito um limite de lavra, variável para cada tipo de maciço e para as condições locais, onde a operação será responsável pelo projeto e execução. A partir desse limite, próximo aos taludes finais a responsabilidade pelo projeto será conjunto com a equipe de geotecnia, seguindo as especificações do projeto de lavra. Nesse limite deverão ser empregadas técnicas para o acabamento dos taludes da cava. A gerência de planejamento de longo prazo é responsável pela elaboração da geometria dos taludes finais que depende da validação da geotecnia de mina. Este projeto é desenvolvido baseado em topografia disponível e deve contemplar: mapeamento geológico e geotécnico de superfície (se possível, realizar investigações preliminares); geometria e seções típicas da cava, e acessos; seção típica de rebatimento, quando for o caso; estudos hidrológico-hidráulicos; sistema de drenagens superficial; análises de estabilidade para os taludes da cava; sequenciamento da lavra; projeto conceitual de instrumentação; e planilha preliminar de quantitativos. Nos taludes finais prevê-se a aplicação de técnicas de desmonte controlado em rocha e de conformação de taludes em solo, para adequá-lo às condições geométricas de projeto. Nesse caso são necessárias marcações topográficas, delimitando a área de acabamento dos taludes finais e indicando crista e pé dos taludes, conforme projeto. Caso necessário, podem ser implantados dispositivos de drenagem e realizado a revegetação, protegendo superficialmente os taludes. Nos casos onde forem necessários serão implementados os instrumentos geotécnicos para monitoramento e indicados os níveis de alerta. Caso necessário, a equipe de infraestrutura de mina será acionada para eventual manutenção nesses taludes. 61 3.6 PROCEDIMENTO DE RETALUDAMENTO COM TRATOR CATERPILLAR D11 Primeiramente se demarca a área disponibilizada para a execução do retaludamento, a partir da demarcação topográfica ou da limitação da leira, para evitar que os equipamentos que trabalhem no retaludamento avancem sobre a área da berma projetada, evitando danos ao projeto geométrico dos taludes. Então inicia-se o rebaixamento da parte excedente de material existente no banco, este material é cortado pelos tratores de esteiras Caterpillar D11 e tombado para o nível posterior (figura 39). Figura 39 – Trator de esteiras, Caterpillar D11, realizando rebaixamento de material excedente, com escavadeira ao fundo realizando a conformação do ângulo do talude. Fonte: Sotreq (2012 a). As escavadeiras de acionamento hidráulico Caterpillar 345D realizam a conformação final da face do talude, fazendo com que esta atinja o ângulo projetado que deve ficar entre 57º a 60º. A figura 39 mostra uma situação improdutiva, pois o trator ao realizar corte com o canto de sua lâmina não executa o total enchimento da lâmina, assim o equipamento não atinge a sua produção máxima. O trabalho com canto de lâmina promove o desgaste dos seguintes itens: desgaste irregular da bordas e do canto da lâmina, desgaste irregular da esteira e desgaste acelerado da embreagem lateral e do freio. Além disso, tal condição de trabalho representa riscos, pois o equipamento encontra-se paralelamente ao talude, podendo ocorrer deslizamento de material sobre o equipamento, além da possibilidade de colisão do equipamento com o talude. 62 A figura 40 mostra outra condição danosa ao equipamento, esta operação causa danos aos retentores do eixo pivô, a barra equalizadora recebe impacto ao colidir com o chassis. Para a realização desta operação com trator de esteiras este deveria ter roda motriz baixa e uma lâmina apropriada para a situação. Figura 40 – Trator D11 realizando retaludamento. Fonte: Sotreq (2012 a). A situação apresentada na figura 41 representa uma situação improdutiva, pois o equipamento é apenas utilizado para realizar a conformação final do talude, não realizando movimentação considerável de material. O material gerado pela atividade fica depositado no pé do talude, este deveria ser movimentado o mais distante possível pelo equipamento, para evitar o retrabalho do trator de esteiras. FIGURA 41 – Escavadeira 345D realizando conformação do ângulo da face do talude. Fonte: Sotreq (2012 a). 63 3.7 MELHORIAS SUGERIDAS PARA O RETALUDAMENTO A Sotreq sugeriu a troca da utilização dos tratores de esteiras D11 por escavadeiras de acionamento hidráulico Caterpillar 345D. As escavadeiras construiriam primeiramente as leiras no limite da marcação topográfica, realizada para demarcar o limite da berma, definida no projeto geométrico. Em seguida a própria escavadeira executaria a escavação e tombamento do material para o banco seguinte (figura 42). FIGURA 42 – Esquema de execução do retaludamento com escavadeiras de acionamento hidráulico, Caterpillar 345D: a) construção de leira de proteção; b) rebaixamento do talude; c) finalização do retaludamento, com atingimento do banco seguinte. Fonte: Vale (2012). A escavação é realizada com posicionamento da escavadeira de forma que sua esteira fique paralela ao talude, esta executará um corte em trincheira (figura 43), a profundidade do corte é a mesma do braço do equipamento. Para que o material possa ser disposto no banco inferior (figura 44), a largura da área a ser cortada deve possuir a mesma dimensão do alcance máximo da lança e do braço da escavadeira. 64 Figura 43 – Realização de corte em trincheira e rebaixamento de talude, por escavadeira 345D. Fonte: Sotreq (2012 a). FIGURA 44 – Disposição de material no banco inferior. Fonte: Sotreq (2012 a). Os tratores de esteiras com lâmina só passariam a ser utilizados no retaludamento nos seguintes casos: quando a escavadeira apresenta dificuldade de escavar o material, por este ser muito competente, então necessitaria de que os tratores escarificassem a região a ser rebaixada, facilitando a escavação das escavadeiras (figura 45). 65 FIGURA 45 – Trator Caterpillar D11 pronto para escarificar material. Fonte: Furtado (2012). quando a largura da área a ser cortada for maior que o alcance da lança e do braço da escavadeira, será necessário o apoio de um trator D11 para realizar a disposição do material cortado pela escavadeira para o banco inferior. 66 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados e as discussões pertinentes são apresentados em relação aos seguintes parâmetros: de segurança, produtivos, operacionais e econômicos. m 3 4.1 ANÁLISE DE PARÂMETROS DE SEGURANÇA A melhoria sugerida trouxe ganhos de segurança de grande relevância para o processo, pois a troca dos tratores de esteiras D11 por escavadeiras 345D, minimizaram a possibilidade de tombamento de material dos taludes em corte sobre os equipamentos, podendo gerar danos materiais e humanos. O risco de colisão dos tratores de esteiras com os taludes também foi minimizado. O risco de tombamento de material do talude em corte sobre as escavadeiras também existe, porém este risco é bem menor que o anterior, pois à medida que a área cortada é rebaixada, as escavadeiras executam a retirada do material excedente no talude, através da conformação do ângulo final do talude, exigido pelo projeto geométrico. 4.2 ANÁLISE DE PARÂMETROS PRODUTIVOS Em relação á produtividade dos equipamentos, a execução de retaludamento com a utilização de tratores de esteiras apresenta produtividade pouco maior do que quando utilizada escavadeiras de acionamento hidráulico. Segundo os dados apresentados na tabela 2.7, os tratores D11 apresentam produtividade média aproximada a 600 m 3 /h, enquanto que as escavadeiras produzem cerca de 520 m 3 /h (SOTREQ, 2012 b). 67 TABELA 4.1.- Produtividade dos equipamentos no retaludamento, em m 3 /h. Equipamento Produtividade Trator D11 600 Escavadeira 345D 520 Fonte: Sotreq (2012 b). Estes dados foram obtidos através da alocação de equipamentos em áreas em retaludamento, foi feita a medição do volume da área demarcada a ser retaludada pela equipe de topografia, ao final da execução do retaludamento foi realizada uma nova medição para se obter os volumes movimentados durante a operação. As horas de equipamento alocadas na área foram obtidas através de acompanhamento em campo, realizando as devidas anotações de realização de escavação ou de paradas (troca de turno, alimentação, abastecimento, manutenção e etc...) e comparadas com os dados do sistema de controle smart mine, da gerência de controle operacional, responsável por alocar os equipamentos de terraplanagem nas áreas de operação (Sotreq, 2012 b). Apesar de a utilização de tratores de esteira apresentar-se mais produtiva, esta deve ser eliminada, pois como será apresentada na análise econômica, esta apresenta custos elevados, que justificam a implantação da melhoria proposta. 4.3 ANÁLISE DE PARÂMETROS OPERACIONAIS Do ponto de vista operacional, a implantação da melhoria gerou a liberação dos tratores D11 para outras atividades de terraplanagem de mina, como: construção e manutenção de pistas, acessos, rampas, limpezas de fundo de cava, construção e manutenção de pulmões e pilhas de deposição de estéril. Nestas atividades é indispensável a utilização dos tratores de esteiras. 4.4 ANÁLISE DE PARÂMETROS ECONÔMICOS Economicamente os ganhos apresentados pela melhoria proposta são inúmeros. 68 Em primeiro lugar o gasto com consumo de óleo diesel foi reduzido, pois segundo os manuais dos equipamentos Caterpillar, as escavadeiras apresentam média de consumo de 24 l/h de óleo diesel, enquanto que os tratores D11 consomem aproximadamente 60 l/h de óleo diesel, na execução das atividades de retaludamento (CATERPILLAR, 2009). Ainda segundo os dados da Sotreq, a implantação da melhoria gerou redução nos gastos com manutenção e troca de materiais de desgaste. Os custos com manutenção e troca de materiais de desgaste dos tratores D11 em relação às escavadeiras de acionamento hidráulico são cerca de 130% maiores (SOTREQ, 2012 b). TABELA 4.2 – Comparação de parâmetros econômicos entre duas escavadeiras Cat 345 D e um trator Cat D11. PARÂMETROS 2 ESC CAT 345 D 1 TRATOR CAT D 11 Consumo de óleo diesel 48 l/h 60 l/h Produtividade 1.040 m³/h 600 m³/h Custo de aquisição R$ 3 milhões R$ 5 milhões Custos com manutenção e materiais de desgaste Custos de 1 trator são 30% mais elevados do que o de escavadeiras em conjunto Fonte: Sotreq (2012 b), Caterpillar (2009) e Vale (2012). Segundo as consultas de mercado as escavadeiras de acionamento hidráulico custam cerca 1,5 milhão de reais enquanto que um trator D11 custa aproximadamente 5 milhões de reais (SOTREQ, 2012 b). Fazendo-se da utilização de duas escavadeiras de acionamento hidráulico em uma mesma área de retaludamento têm-se uma produtividade de cerca de 1.040 m 3 /h, apresentando uma economia de 30% em relação aos custos de manutenção e trocas de materiais de desgaste. Pois somente um D11 apresenta custos 130% maiores do que uma escavadeira. Em relação ao consumo de óleo diesel duas escavadeiras apresentam um consumo aproximado de 48 l/h de óleo diesel, uma economia de 12 l/h em relação á utilização de tratores D11. A aquisição de duas escavadeiras gera uma economia aproximada de 2 milhões de reais frente à aquisição de um trator D11. 69 5 CONCLUSÃO Como se pode observar a implantação de melhorias para a execução do retaludamento de mina, propostas pela Sotreq, geraram diversos ganhos na execução do processo de estabilização de taludes. A troca dos tratores de esteira Caterpillar D11 por escavadeiras de acionamento hidráulico Caterpillar 345D gerou ganhos em todos os parâmetros analisados: econômicos, operacional, produtivo e de segurança. A alocação das escavadeiras 345D no retaludamento geraram um aumento de 133% de produtividade na execução do retaludamento. Operacionalmente ocorreu a liberação de tratores D11 para a execução das demais obras de terraplanagem de mina e eliminação de situações improdutivas, como a utilização de escavadeiras unicamente para conformação do ângulo final. Do ponto de vista da segurança, foram eliminados os principais riscos apresentados pela atividade, o tombamento de material sobre os tratores de esteiras ao executarem corte com canto de lâmina e a possibilidade de colisão dos tratores D11 com o talude. Economicamente destaca-se a economia na utilização de óleo diesel, pois ao utilizar duas escavadeiras 345 D frente a um trator D11, se teve uma redução média de 20% no consumo de combustível, apresentando aumento de produtividade. Além de redução de 30% dos gastos com materiais de desgaste e manutenção. Deve-se destacar a economia de 2 milhões de reais gerada na aquisição dos equipamentos, que torna-se maior ainda, quando dimensionada a frota ideal de escavadeiras e tratores necessárias para a execução do retaludamento nas minas de Carajás. Através dos ganhos apresentados, a GAMTN adotou as medidas propostas pelo programa de melhoria, e o padronizou para toda a operação da empresa. O procedimento foi registrado no SISPAD como PRO-006679, este documento destina-se a todos os operadores de escavadeiras de acionamento hidráulico e tratores de esteiras da área de terraplanagem de mina. É importante salientar que a ocorrência de tais ganhos operacionais e econômicos só se torna possível através da execução de um bom treinamento dos operadores dos equipamentos de terraplanagem de mina. Propõem-se para trabalhos futuros os seguintes temas: influência do treinamento de operadores no ganho de produtividade de atividades de terraplanagem; estudo do 70 comprimento ideal de lança e braço de escavadeiras hidráulicas, utilizadas no retaludamento; estudo de caçamba ou concha ideal para retaludamento; e estudo da influência do número, tipo e comprimento dos dentes utilizados nas caçambas das escavadeiras alocadas no retaludamento. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE GEOLOGIA DE ENGENHARIA (ABGE). Geologia de Engenharia. [S.1.]: ABGE/FAPESP/CNPq, 1998. 576 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR11682 – Estabilidade de Taludes. Rio de Janeiro, 2006. AUGUSTO-FILHO, O. Escorregamentos em Encostas Naturais e Ocupadas: Análise e Controle. Apostila do curso de geologia de engenharia aplicada a problemas ambientais. São Paulo: IPT, 1992. 96-115 p. AZEVEDO, I. C. D.; & MARQUES, E. A. G. Introdução à Mecânica das Rochas. Viçosa, Minas Gerais: UFV, 2002. BIZZI, L. 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Report "Tcc Lucas Lacerda Furtado - Implantação de Melhoria No Retaludamento Das Minas de Ferro de Carajás, Parauapebas, Pará"