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Segregação Hidráulica nas Barragens de Rejeito de Flotação das Minas de Mariana da VALE Washington Pirete Vale S.A, Belo Horizonte, Brasil (washington.pirete@vale.com) Mardo B. Mendes Vale S.A, Belo Horizonte, Brasil (mardon.mendes@vale.com) Alessandra Mazon Vale S.A, Belo Horizonte, Brasil (alessandra.mazon@vale.com) Joice G. Milonas Vale S.A, Belo Horizonte, Brasil l (joice.milonas@vale.com) João. P. Silva Poli-USP, Belo Horizonte, Brasil (joao.paulo.silva@vale.com) RESUMO: As expansões das atividades industriais de extração de minério de ferro na região do Quadrilátero Ferrífero constitui um cenário crescente de exploração da rocha de itabirito (minério de baixo teor). No processo de beneficiamento deste minério é utilizada a flotação reversa, onde o quartzo e outros componentes é flotado com auxilio de reagente (rejeito de flotação). Ao longo dos anos houve um aumento na recuperação de ferro no rejeito de flotação, e consequentemente uma redução das partículas finas de ferro nas praias de rejeitos em barragens com a utilização da técnica de aterro hidráulico. Essa técnica se impõe naturalmente pelas suas especificidades e custos e, assim, ênfase especial tem sido dada a estudos relativos ao desempenho operacional de estruturas de disposição de rejeitos implantadas sob esta concepção. Embora metodologias alternativas tenham sido propostas, pressupõe-se que este cenário não será fortemente alterado em curto prazo. Neste contexto, este trabalho apresenta a segregação hidráulica nas praias de rejeitos de flotação através da análise comparativa entre os rejeitos coletados nas usinas e ao longo da praia de duas barragens formadas pela técnica de aterro hidráulico. Os resultados apresentam a variação de parâmetros entre os rejeitos coletados nas praias e usinas através dos ensaios de caracterização e permeabilidade para o caso das barragens das Minas da Vale localizadas no município de Mariana - MG. PALAVRAS-CHAVE: rejeito de flotação, segregação hidráulica e aterro hidráulico. 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta a segregação através da análise comparativa entre os rejeitos de flotação coletados nas usinas das Minas de Alegria e Timbopeba (VALE) e ao longo das praias das barragens de Campo Grande e Doutor. A formação das praias com rejeito de flotação das barragens supracitadas através da disposição hidráulica apresentam caracteristicas geotécnicas distintas dos mesmos rejeitos coletados nas usinas. Esta variação ocorre devido à influência do processo de segregação, onde as partículas maiores estão situadas próximo aos pontos de disposição e as particulas finas presentes próximas ao lago, levadas pela água. Um parâmetro importante nesta análise é a permeabilidade, sendo maior próximo dos pontos de disposição ao longo da crista da barragem e menor ao longo da praia sentido ao reservatório. A segregação hidráulica e a permeabilidade estão relacionadas com os tamanhos das particulas, mas ao mesmo tempo são influenciados pela densidade real dos grãos (Presotti, 2002). No caso do rejeito de flotação, o processo de retirada de particulas finas de ferro vem aumentando ao longo dos anos e atualmente o teor de ferro presente é de aproximadamente 12% da massa total. Esta quantidade de ferro é considerada baixa e os resultados apontam que este percentual de ferro não influencia no zoneamento de permeabilidade ao longo da formação da praia de rejeito. Essa concepção de maciços arenosos formados através de uma praia com particulas maiores próximo aos pontos de disposição favorece a utilização do metódo de construção de aterro hidráulico, uma vez que a praia ajuda no rebatimento da freática e evita a saturação dos rejeitos (Pirete, 2010). A melhor forma de rebater a superfície freática é ter uma vasta praia entre a crista da barragem e o reservatório (Gomes, 2009). Neste contexto, este trabalho apresenta a variação entre os rejeitos de flotação coletados nas usinas e dispostos hidraulicamente nas praias das barragens de Campo Grande e Doutor, destacando-se a formação de um maciço arenoso com caracteristicas fisicas e permeabilidades diferentes em função do processo de segregação hidráulica. 2 ESTUDO DE CASO O estudo de caso compreende de análises e comparações das características geotécnicas entre os rejeitos de flotação, coletados nas usinas de beneficiamento de Alegria/Timbopeba (VALE) e dispostos nas praias das barragens de Campo Grande e Doutor, situadas no município de Mariana/MG. 2.1 Barragem Campo Grande A Barragem de Campo Grande tem a finalidade de conter o rejeito de flotação da usina de Alegria através do método de construção de alteamentos por linha de centro com rejeito ciclonado. Esta técnica se dá através da separação do “underflow" que é disposto e espalhado a jusante, compactado com o próprio tráfego dos equipamentos, e o "overflow", disposto através de espigotes no reservatório para formação de praia. A Figura 01 ilustra a Barragem de Campo Grande. Figura 1 – Barragem Campo Grande. 2.2 Barragem Doutor A Barragem de Doutor tem a finalidade de conter o rejeito de flotação e a lama da usina de Timbopeba. Esta prática é conhecida como disposição compartilhada, através da construção de alteamentos por linha de centro e a lama disposta à montante do reservatório. A Figura 02 ilustra a Barragem de Doutor. Figura 2 – Barragem de Doutor. 3 CARACTERISTICAS DOS REJEITOS DE FLOTAÇÃO COLETADOS NAS USINAS E PRAIAS DAS BARRAGENS Para avaliação da segregação foram analisados os ensaios de caracterização e permeabilidade dos rejeitos de flotação coletados nas praias das barragens desde 2001 até 2013 e comparados com os rejeitos coletados nas usinas de Alegria e Timbopeba. Os parâmetros analisados foram a % passante na peneira #200, D10 (diametro efetivo), areia (% de areia nas amostras) e k (permeabilidade à carga variável), todos com seus respectivos desvio padrão (σ). A Figura 03 apresenta as curvas granulométricas dos rejeitos de flotação das usinas. Figura 3 – Curvas granulométricas dos rejeitos de flotação das usinas de Alegria e Timbopeba. Os resultados compilados das 03 amostras coletadas nas usinas estão apresentados na Tabela 1 através da média e do respectivo desvio padrão. Tabela 1. Média e desvio padrão da % passante #200, D10, % de areia e permeabilidade (k) das amostras das usinas. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) Usinas 61,0 0,021 53 1,88 x10-4 σ (Dv) 10,0 0,005 11 1,24 x10-4 Nota: k(cm/s) para grau de compactação entre 90 a 95. As curvas granulométricas das amostras dos rejeitos coletados na praia da barragem de Campo Grande entre 2001 e 2011 estão apresentadas nas Figuras 4, 5 e 6. A Figura 04 apresenta 12 ensaios de curvas granulométricas das amostras coletadas na praia de rejeito no período entre 2001 e 2004. Figura 4 – Curvas granulométricas dos rejeitos coletados na praia da Barragem Campo Grande entre 2001 e 2004. A Figura 05 apresenta 23 ensaios de curvas granulométricas de amostras coletadas na praia de rejeito no período entre 2005 a 2007. Figura 5 – Curvas granulométricas dos rejeitos coletados na praia da Barragem Campo Grande entre 2005 e 2007. A Figura 06 apresenta 29 ensaios de curvas granulométricas de amostras coletadas na praia de rejeito no período de 2011. Figura 6 – Curvas granulométricas dos rejeitos coletados na praia na Barragem Campo Grande no ano de 2011. Os resultados compilados das 64 amostras coletadas na praia de rejeito da barragem de Campo Grande (BCG) entre 2001 e 2011 estão apresentados na Tabela 2 através da média e do respectivodesvio padrão. Tabela 2. Média e desvio padrão da % passante #200, D10, % de areia e permeabilidade (k) das amostras da praia da Barragem Campo Grande entre 2001 e 2011. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) BCG 2001/2011 36,0 0,036 71 1,57 x10-3 σ (Dv) 12,0 0,007 10 8,70 x10-4 Nota: k(cm/s) para grau de compactação entre 90 a 95. As curvas granulométricas das 10 amostras dos rejeitos coletados na praia da Barragem de Doutor (BD) no ano de 2011 estão apresentadas na Figura 7. Figura 7 – Curvas granulométricas dos rejeitos coletados na praia da Barragem Doutor durante o ano de 2011. Os resultados compilados das 10 amostras coletadas na praia da barragem de Doutor (BD) no ano de 2011 estão apresentados na Tabela 3. Tabela 3. Média e desvio padrão da % passante #200, D10, % de areia e permeabilidade das amostras da praia da Barragem Doutor em 2011. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) BD 2011 39,0 0,035 70 7,18 x10-4 σ (Dv) 8,0 0,003 6 3,23 x10-4 Nota: k(cm/s) para grau de compactação entre 90 a 95. Outra verificação para análise da segregação hidráulica dos rejeitos de flotação foi à avaliação das curvas granulométricas, das amostras coletadas a cada 20m na praia de rejeito da Barragem de Campo Grande, a partir do ponto de disposição (crista) sentido ao reservatório. As curvas granulométricas das 20 amostras coletadas ao longo da praia de rejeito da barragem de Campo Grande estão apresentadas na Figura 8. Figura 8 – Curvas granulométricas dos rejeitos coletados ao longo da praia da Barragem de Campo em 2013. Nesta avaliação foi verificado que as 05 primeiras amostras localizadas até 100m do ponto de disposição, tiveram características diferentes das amostras posteriores, deste modo foram realizadas duas avaliações, sendo a primeira, com amostras até 100m e a segunda, com as amostras de 120 até 400m. Os resultados compilados das 05 amostras coletadas na praia de rejeito da barragem de Campo Grande até 100 metros do ponto de disposição estão apresentados nas Tabelas 4. Tabela 4. Média e desvio padrão da % passante #200, D10, % de areia e permeabilidade das amostras da Barragem Campo Grande no ano de 2013 até 100m da crista. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) BCG 2013 32,0 0,032 74 1,03 x10-3 σ (Dv) 7,0 0,006 6 3,69 x10-4 Nota: A permeabilidade foi correlacionada através do método indireto proposto por Hazen (1930), apud Das, 2007. Os resultados compilados do restante das amostras coletadas na praia de rejeito da barragem de Campo Grande entre 120 e 400 metros do ponto de disposição de rejeito estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5. Média e desvio padrão da % passante #200, D10, % de areia e permeabilidade das amostras da barragem de Campo Grande em 2013 a partir de 100m da crista. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) 2013 69,0 0,020 40 4,53 x10-4 σ (Dv) 12,0 0,006 12 2,17 x10-4 Nota: A permeabilidade foi correlacionada através do método indireto proposto por Hazen (1930), apud Das, 2007. Os dados analisados nas Tabelas 4 e 5 apresentam uma partição maior de material granular nas amostras coletadas até 100 metros de distância dos pontos de disposição. Já a partir de 100 metros, as amostras apresentaram uma presença maior de material fino. Os valores de permeabilidade informados nas Tabelas 4 e 5 foram estimados através do método semi-empírico de Hazen (1930 apud Das, 2007), conforme equação abaixo. 10 2cD (cm/s) =k c = constante que varia de 1,0 a 1,5. D10 = diâmetro efetivo, em mm. 4 PARTÍCULAS DE FERRO NOS REJEITOS DE FLOTAÇÃO Outro aspecto importante na análise da segregação hidráulica do rejeito de flotação é presença de particulas finas de ferro, que ao longo dos ultimos 14 anos tiveram uma redução considerável em função da evolução tecnológica dos processos de tratamento ou beneficiamento de minério de ferro. Dentre as etapas de beneficiamento, a flotação catiônica reversa de quartzo é o método de concentração de minério de ferro mais utilizado para a produção de “pellet feed”. O quartzo é flotado e os minerais de ferro são deprimidos. O histórico de evolução do processo de flotação na VALE ocorreu em função das demandas e exaustão dos minérios de alto teor de ferro. Os projetos, até meados do ano de 2000, eram concebidos tendo como referência as práticas industriais que consideravam aproximadamente 25% no teor de ferro no rejeito de flotação. Entre 2000 e 2008, o foco estava na otimização das operações existentes contemplando estudos de dosagem de reagentes que foram realizados em escala de laboratório e piloto, validados industrialmente com obtenção de 12% a 15% no teor de ferro no rejeito de flotação. Esse conhecimento (Pena e Marques, 2011) foi então incorporado aos futuros projetos que então passaram a ter como meta rejeitos de 12% de ferro. A partir de 2009 iniciaram estudos de desenvolvimento de nova rota de processo conjugando duas operações unitárias distintas para reduzir ainda mais o teor de ferro: flotação e concentração magnética. Esta melhoria de processo foi identificada também nos ensaios de densidades dos sólidos das amostras coletadas desde 2001 nas praias de rejeitos, conforme apresentado na Figura 09. Figura 9 – Densidade dos sólidos dos rejeitos de flotação coletados nas praias de rejeitos e usinas piloto. Observa-se na Figura 09 uma redução da densidade dos sólidos das amostras coletadas nas praias de rejeitos das Barragens ao longo dos anos, já os testes das usinas pilotos apresentam resultados com densidades dos sólidos abaixo de 2,9 t/m3 para projetos de beneficiamento de itabiritos de baixo teor. Estes resultados confirmam a evolução da área de processo nos estudos de redução de partículas de ferro e os testes piloto apresentam melhora para os futuros projetos. 5 ANÁLISE DA SEGREGAÇÃO DO REJEITO DE FLOTAÇÃO Neste capítulo serão apresentadas as análises comparativas entre os rejeitos coletados nas usinas, com os rejeitos coletados nas praias das barragens de Campo Grande e Doutor, avaliando a ocorrência da segregação hidráulica. A consolidação dos parâmetros das Tabelas 1, 2, 3, 4 e 5 está apresentada na Tabela 6. Tabela 6. Consolidação dos parâmetros informados nas Tabelas 1, 2, 3, 4, e 5 apresentadas no capítulo 03. ID #200 (%) D10 (mm) Areia (%) k (cm/s) Usinas 61,0 0,021 53 1,88 x10-4 BCG 2001/2011 36,0 0,036 71 1,57 x10-3 BD 2011 39,0 0,035 70 7,18 x10-4 BCG 2013 32,0 0,032 74 1,03 x10-3 Até 100m BCG 2013 69,0 0,020 40 4,53 x10-4 >100m Observa-se na Tabela 6 a variação dos rejeitos coletados nas usinas, com os rejeitos dispostos nas praias das barragens de Campo Grande e Doutor. Para refinar a avaliação da segregação, os parâmetros estão apresentados em gráficos de forma comparativa entre as amostras de rejeitos coletadas nas usinas e as amostras coletadas nas praias das barragens. Os gráficos de comparação dos parâmetros de porcentagem passante na peneira #200, diâmetro equivalente a 10% passante (D10 em mm), permeabilidade à carga variável (k cm/s), porcentagem em massa silte/argila e areias estão apresentados nas Figuras 10, 11, 12, 13 e 14. A Figura 10 apresenta as médias de porcentagem de finos passante #200 obtidas de ensaios em amostras deformadas coletadas nas praias ao longo dos anos e nas usinas. Figura 10 – Médias do parâmetro % passante #200 das amostras coletadas nas usinas e praias das barragens. Na Figura 10 observa-se uma presença maior definos passante na peneira #200 nos rejeitos das usinas e nas amostras coletadas a partir de 120m do ponto de disposição, o contrário ocorre nas amostras coletadas nas praias de rejeitos próximos aos pontos de disposição. A Figura 11 apresenta os resultados médios de D10(mm) a partir de amostras coletadas nas usinas e nas praias de rejeito ao longo dos anos. Figura 11 – Médias do parâmetro D10(mm) das amostras coletadas nas usinas e praias das barragens. O parâmetro D10(mm) também é um parâmetro importante na avaliação da segregação, visto que o mesmo é muito utilizado nas relações empíricas de materiais arenosos e/ou granulares através das curvas granulométricas. E no gráfico acima se observa que o D10(mm) aumenta nas médias das amostras coletadas nas praias de rejeitos em relação aos D10(mm) das amostras das usinas. A Figura 12 apresenta os resultados de ensaios de permeabilidade à carga variável, obtidos a partir de amostras coletadas nas usinas e nas praias de rejeito ao longo dos anos. Figura 12 – Médias de permeabilidade k (cm/s) das amostras coletadas nas usinas e praias das barragens. Nas amostras coletadas nas praias das barragens as permeabilidades ficaram acima da faixa de 10-3(cm/s) e nas amostras dos rejeitos coletados nas usinas as permeabilidades ficaram entre 10-4(cm/s) e 10-5(cm/s). Outra análise importante identificada foi um zoneamento de permeabilidade ao longo da praia, encontrando permeabilidades acima de 10-3(cm/s) até 100 metros dos pontos de disposição e 10-4(cm/s) a 10-5 (cm/s) a partir de 100 metros da crista. A Figura 13 apresenta as frações médias de finos (silte e argila) obtidas a partir de amostras coletadas nas usinas e nas praias de rejeito. Figura 13 – Médias do parâmetro de fração de finos (silte e argila) das amostras coletadas nas usinas e praias das barragens. A Figura 14 apresenta as frações médias das areias (média e fina) obtidas a partir de amostras coletadas nas usinas e nas praias de rejeito. Figura 14 – Médias do parâmetro de fração das areias (média e fina) das amostras coletadas nas usinas e praias das barragens. A avaliação da fração de finos (silte e argila) e das areias reforça a ocorrencia do processo de segragação hidráulica ao longo da disposição dos rejeitos de flotação. O gráfico de avaliação dos finos (Figura 13) apresenta uma quantidade maior de finos (silte e argila) presente nos rejeitos de flotação da usina e menor quantidade nas amostras coletadas nas praias das barragens. Já o gráfico da fração das areias este mesmo processo ocorre com uma alta quantidade de areia nos rejeitos coletados nas praias das barragens e baixa quantidade nas amostras coletadas nas usinas. As avaliações realizadas nos rejeitos de flotação coletados nas usinas, comparadas com as avaliações realizadas nos rejeitos coletados nas praias das barragens apresentaram resultados que reforçam a ocorrência do processo de segregação. Esta segregação vem ocorrendo na praia ao longo das trajetórias de fluxo de disposição locados na crista sentido ao reservatório. O processo de segregação vem ao longo dos anos formando um maciço com características diferentes, sendo mais evidente no trecho até 100m de comprimento dos pontos de disposição. Neste trecho, os parâmetros apresentam caracteríticas geotécnicas melhores, do que os rejeitos coletados nas usinas e coletados a partir de 100m da crista, tendo uma presença menor de finos passante #200, um aumento do D10 e uma permeabilidade maior, favorecendo a formação de um maciço arenoso com baixo grau de saturação. Estes ganhos implicam numa baixa ou nenhuma geração de poropressão e consequentemente uma melhora na resistência ao cisalhamento do maciço. 6 CONCLUSÕES Este trabalho verificou a segregação hidráulica do rejeito de flotação coletado nas usinas das Minas de Alegria e Timbopeba com os rejeitos de flotação dispostos nas praias das Barragens de Campo Grande e Doutor. O principal objetivo do estudo foi verificar o banco de dados de ensaios de laboratório das amostras coletadas nas praias de rejeitos desde o ano de 2001 até 2013 e verificar se no processo de escoamento ao longo da praia a segregação hidráulica estaria ocorrendo, onde em princípio as particulas maiores ocupam as regiões mais próximas dos pontos de disposição e as particulas mais finas ocupam a região próxima do reservatório (Vick, 1983), deste modo, favorecendo as condições de segurança de barragem construída com a técnica de aterro hidráulico. As análises realizadas neste estudo permitiram o estabelecimento das seguintes conclusões: As avaliações dos principais parâmetros mostraram que está havendo a segregação hidráulica dos rejeitos de flotação coletados nas praias próximo da crista, comparados com os rejeitos coletados nas usinas; Outro parâmetro importante analisado foi à redução da presença de particulas finas de ferro no rejeito de flotação. Esta redução reforça a ocorrência do processo de segregação em função da baixa influência de finos de ferro no rejeito (silica). Com a melhoria no processo de recuperação de ferro e com adequada operação do plano de disposição de rejeito foi confirmado através dos resultados à ocorrência do processo de segregação hidráulica nas praias de rejeitos. Observou-se também, que nas barragens está sendo formados dois tipos de depósitos de rejeitos, o primeiro está situado até 100m da crista e o segundo, acima de 100m. Este último possuem características semelhantes ao rejeito coletado na usina; O rejeito formado na praia das barragens em estudo até 100m da crista, possuem características de permeabilidade (K) acima de 10-3cm/s, diâmetro efetivo D10 acima de 0,03mm e porcentagem de finos passante na peneira #200 abaixo de 40%. Os resultados reforçam a ocorrência do processo de segregação nos rejeitos de flotação. O processo de segregação hidráulica no rejeito de flotação nas estruturas construídas com a técnica de aterro hidráulico auxilia no rebatimento da linha de saturação e na densificação do rejeito próximo da crista do maciço. A formação de um maciço com estas caracteristicas reforçam as condições de ganho de resistência e permeabilidade; Esta análise confirma que as barragens em operação com a disposição de rejeitos granulares (flotação) estão formando maciços arenosos, com baixo grau de saturação e baixa ou nenhuma geração de poropressão. Importante ressaltar que um maciço arenoso com baixo grau de saturação também auxilia na redução do risco do potencial de liquefação estática. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Vale pela disponibilidade das informações para realizar o estudo e pela liberação do uso e divulgação dos resultados. REFERÊNCIAS DAS, B.M. (2007). Fundamentos de engenharia geotécnica, tradução All Tasks; revisão técnica Pérsio Leister de Almeida Barros. Thomson Learning. São Paulo, 559p. GOMES, R.C. (2009). Caracterização Tecnológica e Sistemas de Disposição de Resíduos de Mineração. NUGEO - Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, UFOP, 220p. PENA, I e MARQUES, M., (2011). Redução do Teor de Ferro no rejeito da Etapa de Concentração do Pellet Feed, 12° Simpósio de de Minério de Ferro ABM. PIRETE, W. (2010). Estudo do Potencial de liquefação estática de uma barragem de rejeito alteada para montante aplicando a metodologia de Olson (2001). Dissertação (Mestrado), Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, UFOP, 20p. PRESOTTI, E.S. (2002). Influência do teor de ferro nos parâmetros de resistência de um rejeito de minério de ferro. Dissertação (Mestrado).Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, 153 p. VICK, S.G., (1983) – Planning, Design, and Analysis of Tailings Dams, Wiley Interscience , New York.
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