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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL ESTUDO DE PLANO DE FOGO PARA OTIMIZAÇÃO DOS CUSTOS DE TRANSPORTE E BRITAGEM LUIZ EDUARDO OLIVEIRA CUNHA JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DA UFJF 2013 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL ESTUDO DE PLANO DE FOGO PARA OTIMIZAÇÃO DOS CUSTOS DE TRANSPORTE E BRITAGEM LUIZ EDUARDO OLIVEIRA CUNHA JUIZ DE FORA 2013 LUIZ EDUARDO OLIVEIRA CUNHA ESTUDO DE PLANO DE FOGO PARA OTIMIZAÇÃO DOS CUSTOS DE TRANSPORTE E BRITAGEM Trabalho Final de Curso apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Juiz de Fora, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Civil. Área de Conhecimento: Mecânica das Rochas Orientador: Guilherme Soldati Ferreira M. Sc. Juiz de Fora Faculdade de Engenharia da UFJF 2013 ESTUDO DE PLANO DE FOGO PARA OTIMIZAÇÃO DOS CUSTOS DE TRANSPORTE E BRITAGEM LUIZ EDUARDO OLIVEIRA CUNHA Trabalho Final de Curso submetido à banca examinadora constituída de acordo com o Artigo 9 o do Capítulo IV das Normas de Trabalho Final de Curso estabelecidas pelo Colegiado do Curso de Engenharia Civil, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil. Aprovado em: ____/________/_____ Por: _____________________________________ Prof. Guilherme Soldati Ferreira, M.Sc. (Orientador) _____________________________________ Prof. Márcio Marangon, D.Sc. _____________________________________ Prof. Roberto Lopes Ferraz, D.Sc. AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, por tudo que me proporcionou até hoje em minha vida e o que ainda está por vir. Aos meus pais, Luiz Carlos e Dalva, as pessoas mais incríveis e importantes em minha vida, que amo e admiro. Por me apoiarem em todos os momentos. Aos meus familiares, que de algum modo me incentivaram e me deram força. Ao meu primo, padrinho e irmão Fábio Vargas, que sempre me deu suporte e apoio em minha vida acadêmica. A todos os meus amigos de faculdade, pelos grandes momentos em que estivemos juntos por esses cinco anos de aprendizado. Aos amigos Carolina Goretti, Leonardo Assis e Lilian Cardoso pelo apoio. Ao meu orientador Prof. Guilherme Soldati Ferreira, pela paciência, ajuda, incentivo e sugestões durante este trabalho. A todos os professores que muito me ensinaram e me ajudaram a cumprir mais esta etapa da minha vida. E finalmente, a todos que proporcionaram a realização deste sonho, um muitíssimo obrigado! RESUMO O presente trabalho, intitulado Estudo de Plano de Fogo para Otimização dos Custos de Transporte e Britagem, se apresenta como uma avaliação das variações dos parâmetros do plano de fogo para desmonte de rocha a céu aberto, destinado à produção de agregados para construção civil. Um condicionante que interfere diretamente no dimensionamento e nos custos do plano de fogo é a fragmentação, pela detonação, da rocha em função de sua destinação final. Para obtenção de uma fragmentação de qualidade, com características que atendam o método de produção do agregado, assim como compatível com os equipamentos utilizados pela empresa, o plano de fogo utilizado no desmonte primário do maciço deverá ser bem definido. A fragmentação do maciço foi estudada de acordo com o modelo de Kuz-Ram, onde inicialmente, procurou-se analisar os resultados da fragmentação do maciço variando-se apenas os parâmetros do plano de fogo, para um mesmo maciço rochoso, com o objetivo de se obter parâmetros de avaliação de sua granulometria e analisar a melhor fragmentação possível para a situação de produção de agregados. Em um segundo momento, para o plano de fogo com melhor resultado, segundo sua fragmentação ideal, foram alterados os tipos de explosivos usados e analisadas as variações na fragmentação final. Os resultados esperados foram confirmados após a análise, onde se pode observar que menores espaçamentos e afastamentos (malhas mais “apertadas”) geram um resultado melhor na fragmentação do maciço e consequentemente atingindo o objetivo principal que é a otimização dos custos para o processo de transporte e britagem do material. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Homem com utensílios de rocha.............................................................................. 01 Figura 2: Produção de agregados no Brasil............................................................................. 03 Figura 3: Consumo de agregados no Brasil............................................................................. 05 Figura 4: Diferentes tipos de rochas ígneas............................................................................. 07 Figura 5: Diferentes tipos de rochas sedimentares................................................................... 08 Figura 6: Diferentes tipos de rochas metamórficas.................................................................. 09 Figura 7: Pedra britada e agregados para construção civil ...................................................... 10 Figura 8: Rochas para revestimento ........................................................................................ 11 Figura 9: Blocos de rocha em muros de gabião....................................................................... 11 Figura 10: Perfuratriz percussiva manual ............................................................................... 12 Figura 11: Perfuratriz rotativa ................................................................................................. 13 Figura 12: Perfuratriz percussivo-rotativa .............................................................................. 13 Figura 13: Perfuratriz furo-abaixo – DTH .............................................................................. 14 Figura 14: Explosivo tipo pólvora negra ................................................................................. 20 Figura 15: Explosivo tipo gelatinoso ...................................................................................... 21 Figura 16: Explosivo tipo ANFO ............................................................................................ 21 Figura 17: Explosivo tipo granulado - ANFOMAX.................................................................22 Figura 18: Lamas explosivas ................................................................................................... 22 Figura 19: Emulsão encartuchada ........................................................................................... 23 Figura 20: Emulsão bombeável ............................................................................................... 23 Figura 21: Bancada para desmonte de rocha com os parâmetros para plano de fogo ............ 32 Figura 22: Diferentes tipos de malha de perfuração ............................................................... 33 Figura 23: Seção transversal da face durante a detonação mostrando a expansão das ondas e choque .....................................................................................................................................40 Figura 24: Teoria da reflexão das ondas de choque................................................................ 40 Figura 25: Interação dos eventos T1 e T4 em bancada típica de pedreira .............................. 41 Figura 26: Zonas radiais de ruptura ........................................................................................ 41 Figura 27: Transporte de material detonado por caminhões fora de estrada........................... 51 Figura 28: Corte de um britador de mandíbulas ..................................................................... 52 Figura 29: Corte de um britador giratório ............................................................................... 52 Figura 30: Transporte de material por esteira e seu beneficiamento ...................................... 53 Figura 31: Classificação geomecânica do maciço rochoso ..................................................... 57 Figura 32: Curva granulométrica – situação de cálculo 1 ....................................................... 66 Figura 33: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 1 ............................................ 66 Figura 34: Curva granulométrica – situação de cálculo 2 ....................................................... 70 Figura 35: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 2............................................. 70 Figura 36: Curva granulométrica – situação de cálculo 3........................................................ 74 Figura 37: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 3............................................. 74 Figura 38: Curva granulométrica – situação de cálculo 4........................................................ 78 Figura 39: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 4............................................. 78 Figura 40: Curva granulométrica – situação de cálculo 5 ....................................................... 82 Figura 41: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 5 ............................................ 82 Figura 42: Curva granulométrica – situação de cálculo 1,2 e 3 .............................................. 83 Figura 43: Curva granulométrica – situação de cálculo 1 e 4 ................................................. 84 Figura 44: Curva granulométrica – situação de cálculo 2 e 5 ................................................. 84 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Valores médios do consumo de agregados no Brasil de acordo com o tipo de obra .................................................................................................................................................. 04 Tabela 2: Diâmetro de perfuração dos equipamentos ............................................................. 33 Tabela 3: Dados de entrada do plano de fogo ......................................................................... 58 Tabela 4: Parâmetros do plano de fogo ................................................................................... 59 Tabela 5: Dados de entrada da fragmentação da rocha ........................................................... 60 Tabela 6: Resultados da fragmentação da rocha ..................................................................... 61 Tabela 7: Dados de entrada do plano de fogo – situação de cálculo 1 .................................... 63 Tabela 8: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 1.............................................. 63 Tabela 9: Dados de entrada da fragmentação da rocha – situação de cálculo 1...................... 64 Tabela 10: Resultados da fragmentação da rocha – situação de cálculo 1............................... 65 Tabela 11: Dados de entrada do plano de fogo – situação de cálculo 2 .................................. 67 Tabela 12: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 2 ........................................... 67 Tabela 13: Dados de entrada da fragmentação da rocha – situação de cálculo 2 ................... 68 Tabela 14: Resultados da fragmentação da rocha – situação de cálculo 2 .............................. 69 Tabela 15: Dados de entrada do plano de fogo – situação de cálculo 3 .................................. 71 Tabela 16: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 3 ........................................... 71 Tabela 17: Dados de entrada da fragmentação da rocha – situação de cálculo 3 ................... 72 Tabela 18: Resultados da fragmentação da rocha – situação de cálculo 3 .............................. 73 Tabela 19: Dados de entrada do plano de fogo – situação de cálculo 4 .................................. 75 Tabela 20: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 4 ........................................... 75 Tabela 21: Dados de entrada da fragmentação da rocha – situação de cálculo 4 ................... 76 Tabela 22: Resultados da fragmentação da rocha – situação de cálculo 4 .............................. 77 Tabela 23: Dados de entrada do plano de fogo – situação de cálculo 5 .................................. 79 Tabela 24: Parâmetros do plano de fogo – situação de cálculo 5 ........................................... 79 Tabela 25: Dados de entrada da fragmentação da rocha – situação de cálculo 5 ................... 80 Tabela 26: Resultados da fragmentação da rocha – situação de cálculo 5 .............................. 81 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1 1.1 Desmonte de Rocha no Cenário Brasileiro .................................................................. 2 1.2 Objetivo ............................................................................................................................ 3 1.3 Justificativa ....................................................................................................................... 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 6 2.1 Introdução ......................................................................................................................... 6 2.2 Classificação das rochas ................................................................................................... 6 2.2.1 Rochas Ígneas ou Magmáticas .................................................................................. 6 2.2.2 Rochas Sedimentares ................................................................................................. 7 2.2.3 Rochas Metamórficas ................................................................................................ 8 2.3 Utilização das Rochas na Indústria da Construção Civil .................................................. 9 2.4 Equipamentos de Perfuração .......................................................................................... 11 2.4.1 Tipos de Perfuratrizes .............................................................................................. 11 2.4.2 Avanços ................................................................................................................... 14 2.4.3. Locomoção das Perfuratrizes.................................................................................. 15 2.4.4 Dimensionamento e seleção das perfuratrizes ......................................................... 16 2.5 Explosivos ...................................................................................................................... 18 2.5.1 Propriedades dos Explosivos ...................................................................................18 2.5.2 Tipos de Explosivos ................................................................................................ 20 2.5.3 Escolha do Explosivo .............................................................................................. 24 2.5.4 Acessórios de Detonação ......................................................................................... 24 2.5.5 Armazenamento e Manuseio dos Explosivos .......................................................... 25 2.5.6 Carregamento dos Explosivos ................................................................................. 25 2.6 Escavações de Rocha ...................................................................................................... 26 2.6.1 Escavações com Auxílio de Explosivos .................................................................. 26 2.6.2 Escavações Mecânicas a Frio .................................................................................. 27 2.6.3 Desmonte Escultural ................................................................................................ 28 2.7 Escavações ...................................................................................................................... 28 2.7.1 Desmonte de Rochas em Bancadas ......................................................................... 29 2.8 Plano de Fogo ................................................................................................................. 30 2.8.1 Escolha do Plano de Fogo ....................................................................................... 30 2.8.2 Custo de Perfuração e Detonação ............................................................................ 31 2.8.3 Parâmetros do Plano de Fogo .................................................................................. 31 2.8.4 Volumes de Escavação (VF e VT) .......................................................................... 37 2.8.5 Razão Linear de Perfuração (RP) ............................................................................ 38 2.8.6 Razão de Carga (RC) ............................................................................................... 38 2.8.7 Sequência de fogo .................................................................................................... 38 2.8.8 Consumo de Explosivo ............................................................................................ 38 2.9 Mecanismo de Ruptura da Rocha pelos Explosivos ....................................................... 39 2.9.1 Conceitos ................................................................................................................. 39 2.10 Desmonte de Pedreiras – Seleção de Frentes ............................................................... 42 2.11 Desmonte de Pedreiras – Desenvolvimento da Jazida ................................................. 43 2.11.1 Abertura de Acessos .............................................................................................. 43 2.11.2 Decapagem ............................................................................................................ 44 2.11.3 Abertura de Bancadas ............................................................................................ 44 2.11.4 Implantação de Pátios e ADME. ........................................................................... 44 2.12 Desmonte de Pedreiras – Níveis de Produção, Abertura de Frentes ............................ 44 2.13 Desmonte de Pedreiras – Equipamentos e seu Dimensionamento ............................... 45 2.14 Conceitos, Normas e Padrões Internacionais para o Controle de Vibrações................ 47 2.14.1 Vibrações pelo Terreno ......................................................................................... 47 2.14.2 Vibrações pelo Terreno, Normas e Padrões Internacionais ................................... 48 2.15 Desmontes Cuidadosos, Ajustes no Plano de Fogo ...................................................... 49 2.16 Transporte do material .................................................................................................. 50 2.17 Beneficiamento e Armazenamento do Material ........................................................... 51 4.18 Plano de Fogo X Fragmentação do Maciço.................................................................. 53 4.18.1 Introdução .............................................................................................................. 53 4.18.2 O Modelo de Fragmentação de Kuz-Ram ............................................................. 54 5 APLICAÇÃO DO MÉTODO ............................................................................................... 58 5.1 Aplicação das Planilhas Desenvolvidas: situação de cálculo ......................................... 61 5.1.1 Situação de Cálculo 1 .............................................................................................. 62 5.1.2 Situação de Cálculo 2 .............................................................................................. 67 5.1.3 Situação de Cálculo 3 .............................................................................................. 71 5.1.4 Situação de Cálculo 4 .............................................................................................. 75 5.1.4 Situação de Cálculo 5 .............................................................................................. 79 6 CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 86 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 88 1 1 INTRODUÇÃO Desde os primórdios que a vida do homem está ligada à dependência dos recursos minerais tanto para a fabricação de utensílios e até mesmo como seu habitat, por meio de cavernas, grutas e abrigos naturais. Os primeiros seres humanos tinham uma vida nômade, indo sempre em busca de locais com solos férteis e ricos em minerais, desta forma garantindo seu desenvolvimento de maneira sustentável (CAVADAS, 2012). Com o passar dos tempos, o homem aprendeu a manusear “ferramentas” feitas com lascas de pedras e madeira, na qual as utilizavam para quebrar blocos de rochas mais frágeis, como, por exemplo, os arenitos, obtendo blocos menores. Estes tiveram grande importância no desenvolvimento das primeiras edificações que o homem passou a construir, sendo estas mais uniformes e resistentes. Mais tarde, pedras pontiagudas passaram a ser utilizadas, o que facilitou, e muito, na abertura de furos nas rochas proporcionando um material com características mais consistentes como tamanho e forma. Com este novo método de exploração, passou a se utilizar os blocos de rochas para outros fins além da construção (GERALDI, 2011). Figura 1 – Homem com utensílios de rocha (WIKIPEDIA, 2013). O Brasil é um país rico em maciços rochosos, onde encontramos o chamado “Escudo Brasileiro”, localizado na região Centro-Oeste do país. Devido a sua grande formação geológica de grandes maciços, as escavações de rocha são necessárias para atender projetos tanto na área da mineração quanto na construção civil. Estas escavações refletem diretamente, com volumes significativos, nos custos das obras. 2 Atualmente o Brasil, encontra-se em crescimento, com grandes obras de infraestrutura e superestrutura, na qual uma grande demanda de agregados minerais é indispensável para sua execução. Rocha é um corpo sólido natural, resultante de um processo geológico determinado, formado por agregados de um ou mais minerais,arranjados segundo as condições de temperatura e pressão existentes durante sua formação (OLIVEIRA E BRITO, 1998). Para obtenção deste material, o projeto de escavação de rocha deve ser executado de forma eficiente baseado nos parâmetros que interferem diretamente tanto nos resultados de produção quanto no custo. 1.1 Desmonte de Rocha no Cenário Brasileiro No Brasil, o mercado da mineração vem desempenhando um papel de grande importância na retomada do crescimento econômico nos últimos anos. O Brasil está entre os países com maior potencial mineral do mundo conforme o Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM, 2011). A partir do litoral do Estado de Santa Catarina, surgem as grandes extensões costeiras dominadas pelas serras litorâneas, formadas predominantemente por maciços gnáissicos, denominadas sequencialmente como Serra Geral e Serra do Mar. Estas serras se estendem pela costa atlântica dos Estados do Paraná, São Paulo e seguem dominando praticamente toda a extensão e caracterizando a topografia abrupta do território dos Estados do Rio de Janeiro e Espírito Santo, adentrando também a faixa limítrofe destes estados com o Estado de Minas Gerais (GERALDI, 2011). Frente a esse cenário, qual o Brasil é um grande explorador de rochas, um dos principais fatores que interferem de maneira direta no dimensionamento e nos custos do plano de fogo é a fragmentação da rocha, ou seja, a faixa granulométrica ideal que a rocha detonada deve apresentar. Ao fim do processo de desmonte cogita-se que o material obtido esteja em conformidade com a finalidade do seu destino final. No Brasil, “agregados para construção civil” é termo usado para identificar um segmento do setor mineral que produz matéria-prima mineral bruta ou beneficiada de uso imediato na indústria da construção civil de acordo com o Instituto Brasileiro de Mineração (IBRAM , 2012) Em 14 anos, a demanda por agregados da construção civil partiu de 460 milhões de toneladas em 1997 para 673 milhões de toneladas em 2011, crescimento correspondente a 46,2% ou a taxa composta de crescimento anual (CAGR – Coumpound Annual Growth Rate) 3 de 2,8% a.a (ao ano). Durante o período de 2001 a 2011, o aumento da demanda foi de 92,3% correspondente a 6,8% a.a. no CAGR, representando um aumento significativo, e com obras de grande porte para o futuro, a produção de agregados continuará a crescer até o ano de 2022 como mostra o gráfico abaixo. (IBRAM, 2012). Figura 2 – Produção de Agregados no Brasil (milhões/ton.), (IBRAM, 2012) 1.2 Objetivo Este trabalho tem por objetivo realizar um estudo de um plano de fogo, para realização do desmonte de rochas em bancadas através de explosivos para a produção de material rochoso, na forma de agregados, destinado à construção civil. Para a execução de um desmonte seguro e eficiente é necessário conhecimento e entendimento dos parâmetros do plano de fogo a ser executado, da formação geológica do local, da propagação das vibrações pelo terreno, impactos na atmosfera e etc. (GERALDI, 2011). Este estudo, o desmonte de rocha em bancadas com explosivos determinado por um plano de fogo, será realizado com o intuito de evitar que erros como: a inutilização precoce de pedreiras devido às maneiras erradas de exploração, danos a áreas próximas habitadas devido às vibrações provocadas pelas detonações, entre outras, ocorram novamente, e ao mesmo tempo gerando como resultado um baixo custo unitário final de produção do material para britagem. Primeiramente, será apresentada uma revisão sobre as escavações de rocha, suas características e classificações. Também as definições, tipos de perfuratrizes utilizadas no desmonte de rocha, tipos e propriedades dos explosivos a serem utilizados. Questões de 4 segurança e controle nas detonações de rochas serão analisadas ao final da revisão bibliográfica. Atualmente a maneira de se obter o plano de fogo ideal é empírica, onde inicialmente, através de correlações práticas, um plano de fogo é elaborado. Porém devido a grande diversidade dos maciços rochosos, os ajustes vão sendo feitos após tentativas e análises dos resultados a fim de se obter o plano de fogo ideal. Logo, planilhas serão elaboradas, em que os parâmetros principais de um plano de fogo, como profundidade do furo, inclinação do furo, afastamento, espaçamento, entre outros, serão variados a fim de se obter diferentes resultados em termos de quantidades, dimensões (granulometria), operações de carga e transporte e britagem da rocha, tendo como objetivo sempre o menor custo unitário para o serviço e ao mesmo tempo alcançando a fragmentação desejada para o produto final, agregado para construção civil. 1.3 Justificativa O Brasil encontra-se em uma fase de aquecimento das obras em geral, principalmente de infraestrutura. Com isto, cada vez mais, obras vêm sendo realizadas e consequentemente o aumento no consumo de materiais como os agregados de origem mineral (rochosa) que são fundamentais em produtos como, o concreto empregado na construção civil e também na execução de rodovias, ferrovias, etc. Tabela 1 – Valores médio do consumo de agregados no Brasil de acordo com o tipo de obra (IBRAM, 2012) Antigamente os afloramentos rochosos eram explorados de forma equivocada, com frente de escavação única, formando paredões rochosos, subverticais e com grandes alturas 5 que ultrapassam os 70 m. Desta forma muitas pedreiras se tornaram inexploráveis muito antes de sua capacidade total. Segundo Geraldi (2011), com este aumento nas obras de infraestrutura, frentes antigas e já quase esgotadas das pedreiras são frequentemente reaproveitadas, passando por serviços de abertura de acessos e execução de bancadas, que afeta diretamente nos custos de produção deste material, por se tratarem de serviços extremamente difíceis de executar. O segmento de produção de agregados movimenta cerca de R$ 8,3 bilhões em negócios e é responsável pelo emprego direto de 68 mil novos trabalhadores. A produção desses agregados superou a de minério de ferro, sendo este o carro-chefe da mineração brasileira. Este é um sinal de que há uma melhoria na qualidade de vida, visto que a produção desses minérios resulta em mais saneamento, habitação, infraestrutura de transporte, e em outras obras de utilidade pública (PENNA, 2010). Este estudo se torna importante, frente a crescente demanda de agregados no Brasil e no mundo inteiro. Segundo (IBRAM, 2012). com o aumento dos investimentos nacionais em infraestrutura para que o Brasil seja o país sede de eventos como a Copa do Mundo de 2014 e as Olimpíadas de 2016, garantirão a crescente alta no consumo de agregados até 2022. Figura 3 – Consumo de Agregados no Brasil (milhões/ton), (IBRAM, 2012) No Brasil, as leis ambientais estão cada vez mais restritivas. Com a fiscalização intensa, dificuldade de obtenção e renovação de licenças, a exploração de novas pedreiras para obtenção de agregados para construção civil se torna cada vez mais difícil, portanto a maneira correta de explorá-las é muito importante, buscando sempre os melhores resultados de produção. 6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Introdução Os minerais que constituem as rochas são substancias químicas que se originam a partir de processos inorgânicos, de decomposição química, geralmente definida, e encontrados naturalmente na crosta terrestre (AZEVEDO E MARQUES, 2006). Devido à ocorrência de uma grande diversidade de minerais no globo terrestre que, agregados uns aos outros, formam os diversos tipos de rocha (GERALDI, 2011). Segundo Azevedo e Marques (2006), formadasnaturalmente por agregados de matéria mineral, que se apresentam em grandes massas ou fragmentos, as rochas são materiais sólidos e consolidados. As rochas constituintes do globo terrestre são classificadas e agrupadas de acordo com a sua litologia, sua gênese e por suas características estruturais. Desta forma, foi determinada uma subdivisão das rochas em três grandes grupos ou classes, para os estudos da geologia do planeta (GERALDI, 2011). Rochas ígneas ou magmáticas. Rochas sedimentares. Rochas metamórficas. 2.2 Classificação das rochas 2.2.1 Rochas Ígneas ou Magmáticas Segundo Geraldi (2011), as rochas ígneas ou magmáticas são originadas a partir do resfriamento do próprio magma original, formador do globo terrestre. Ocorrem geralmente na forma de grandes massas originadas em profundidades, denominadas batólitos, ou na forma de derrames superficiais e diques intrusivos, provenientes de efeitos de vulcanismos (rochas vulcânicas). As rochas ígneas ou magmáticas geralmente são duras, cristalinas, com composição mineral bastante definida. Segundo Azevedo e Marques (2006), as rochas magmáticas podem ser: Intrusivas – a formação se da pelo resfriamento lento do magma no interior da Terra, através de fenômenos internos conhecidos como plutonismo, permitindo a perfeita cristalização dos minerais. Extrusivas – devido aos derrames de lava, que se resfriam rapidamente, impedindo a cristalização dos minerais. Estão ligados aos fenômenos externos, conhecidos como vulcanismo. 7 Figura 4 – Diferentes tipos de rochas ígneas (CIENTIC, 2013). 2.2.2 Rochas Sedimentares Devido à ação dos processos de intemperismo e desagregação, provocados por agentes da natureza, como a chuva, a neve e o vento, em maciços já existentes, e a posterior sedimentação dos componentes minerais liberados, provenientes destes maciços, são formadas as rochas sedimentares. Formações sedimentares jovens (recentes), correspondentes ao Eon Fanerozoico, Períodos Terciário e Quaternário (2 milhões de anos) e também rochas mais antigas, correlacionadas aos períodos imediatamente posteriores à formação do globo terrestre podem ser identificadas (GERALDI, 2009). Segundo Geraldi (2009), as formações recentes, podem ser classificadas como: Aluviões: Depósito de fragmentos arredondados de rocha, de faixa granulométrica variada, transportados por curso de água e depositados em seu próprio vale, no leito do rio ou em suas margens, ou ainda em sua foz. Eluviões: também denominados terraços, provenientes da fragmentação da rocha- matriz por processos erosivos naturais são formados os depósitos de rocha, sem que ocorra o carreamento e transporte dos fragmentos de rocha. São denominados depósitos in situ. Coluviões: compostos por blocos e fragmentos de rocha de diversos formatos e diferentes tamanhos, envolvidos por material de textura granular e fina. Os coluviões se formam devido à processos erosivos, desagregação e decomposição natural de rochas, que são transportados por gravidade e carreados por pequena distância. Estes, de acordo com sua granulometria, são denominados da seguinte forma: 8 Tálus: sedimentos predominantemente composto por grandes blocos, angulosos, tamanhos diferentes e envolvidos por material de granulometria mais fina. Colúvios: sedimentos compostos por blocos de tamanhos menores, granulometria homogênea e fina. Depósitos marinhos e lacustres: devido à solubilidade dos componentes minerais, sendo estes transportados pelos cursos d’água e depositados mais à frente, em águas calmas, que facilitam a sedimentação pela precipitação. Estes depósitos apresentam características físicas totalmente diferentes das citadas acima. Figura 5 – Diferentes tipos de rochas sedimentares (CIENTIC, 2013). 2.2.3 Rochas Metamórficas A partir de rochas preexistentes, originam-se as rochas metamórficas a partir de transformações litológicas e estruturais causados por efeitos termodinâmicos, gerados pelos fenômenos de dinâmica interno do globo terrestre, como erupções vulcânicas e terremotos. Estes efeitos aprecem nos maciços pelos planos de falha, fraturas e dobramento das camadas mais antigas (GERALDI, 2011). Segundo Geraldi (2011), as rochas metamórficas apresentam estruturas de aspecto maciço ou apresentam foliações mais atuantes, como a xistosidade, que podem ser planas ou dobradas devido à efeitos de estresse próprio aos processos metamórficos. 9 Figura 6 – Diferentes tipos de rochas metamórficas (CIENTIC, 2013). 2.3 Utilização das Rochas na Indústria da Construção Civil Segundo Oliveira e Brito (1998), os materiais rochosos são utilizados na construção civil em diferentes formas para diferentes usos: Pedra britada, pedrisco, areia artificial, pó de pedra, seixos e areia natural usados em concretos hidráulicos e betuminoso, como filtros e transições em barragens de terra e de enrocamento, como lastro de ferrovia e como drenos em outras obras civis, tais como estradas, aeroportos, estações de tratamento de água, etc.; Placas de pedra para revestimentos de paredes e pisos; Blocos usados como elementos estruturais em barramento de água ou como proteção de taludes, encostas e portos marítimos, na forma de enrocamentos e como muros de arrimo. Para a utilização dos materiais rochosos nas diferentes formas, os mesmos devem atender a determinadas especificações técnicas como (GERALDI, 2011): Dureza e tenacidade. Baixa abrasividade. Composição mineralógica adequada, com ausência de elementos radioativos e sujeitos a alterações por intemperismos. Resistência a polimentos. Resistência à compressão. Baixa capacidade de absorção de líquidos. Quando britados – apresentar formas equidimensionais e regulares das partículas. Quando serrados em chapas – apresentar maior resistência à flexão. 10 Segundo Geraldi (2011), na seleção de pré-jazidas de materiais rochosos para utilização na construção civil, ensaios e normas técnicas são seguidos. A seguir são apresentados alguns tipos de rocha para cada finalidade: Pedra britada e agregados: rochas como granitos, sienitos, basaltos, granodioritos e outras rochas magmáticas; rochas metamórficas do tipo gnaisses e migmatitos; rochas sedimentares do tipo cascalhos e areias. Tipos de calcários e dolomitos mais resistentes também podem ser usados. Materiais com grande abrasividade, como os quartizitos e alguns xistos mais duros e resistentes, são evitados pois provocam um desgaste prematuro nas ferramentas de perfuração e nos componentes de britagem. Figura 7 – Pedra britada e agregados para construção civil (IBRAM, 2012). Placas para revestimento: antigamente só utilizavam os mármores, ardósias e folhelhos para pisos e revestimentos, mas com o avanço tecnológico outros materiais passaram a ser utilizados para esta função, tais como os granitos, alguns tipos de quartizitos e mesmo basaltos, riolitos e diabasios. 11 Figura 8 – Rochas para revestimento (KARILLASANTOS, 2013). Blocos de rocha: esses materiais em geral são utilizados em obras como alvenarias de pedras, muros de arrimo e enchimento de gabiões como mostra a figura abaixo. Nessas obras são empregadas todas as rochas que são utilizadas para a produção de agregados. Já para obras de maior porte, somente maciços com baixo grau de fraturamento e com ausência de foliações, como os granitos, gnaises oriundos de formações cristalinas maciças podem ser utilizados. Figura 9 – Blocos de rocha em muros de gabião (GOOGLE, 2013). 2.4 Equipamentosde Perfuração 2.4.1 Tipos de Perfuratrizes Segundo Ricardo e Catalani (2007), os furos feitos a distâncias predeterminadas, em diâmetros que no Brasil varia de 33 mm a 100 mm, requerem a utilização da perfuratriz, sistemas de avanço, apoio e locomoção e fonte de ar comprimido. 12 As perfuratrizes usadas na escavação de rocha são classificadas em: percussivas, rotativas, percussivo-rotativas e de furo-abaixo (DTH). 2.4.1.1 Percussivas A perfuratriz percussiva reproduz um giro na broca, imediatamente após cada golpe. Esse giro, sempre de um pequeno arco de círculo, é, portanto, descontínuo. Assim, ocorre a perfuração manual, caracterizada por dois movimentos distintos e independentes: golpeamento da broca, seguido de rotação da broca. O acionamento geralmente é por ar comprimido, mas também à gasolina (para pequenos trabalhos) ou hidráulica (muito pesadas) (RICARDO E CATALANI, 2007). Figura 10 – Perfuratriz percussiva manual (REZENDE, 2012). 2.4.1.2 Rotativas O equipamento é montado sobre uma plataforma, permitindo uma maior facilidade de locomoção e não há percussões, pois a perfuratriz transmite à broca somente movimento de rotação, podendo demolir a rocha por corte, abrasão e esmagamento. São utilizadas para furos de grandes profundidades, como prospecções geológicas, poços artesianos, prospecção e exploração de poços petrolíferos. Também utilizados para perfuração das rochas para a introdução de explosivos (RICARDO E CATALANI, 2007). 13 Figura 11 – Perfuratriz rotativa (REZENDE, 2012). 2.4.1.3 Percussivo-rotativas Ao contrário da perfuratriz percussiva que apresenta porte menor e tem rotação da broca descontínua, as perfuratrizes percussivo-rotativas possuem percussões sobre a broca, além da rotação contínua. Geralmente utilizada para perfuração de diâmetro maior (38 mm a 89 mm), podendo chegar a 125 mm. O movimento da rotação pode ser produzido por motor de pistões, colocado no cabeçote do equipamento ou por motor independente. Ambos a rotação é reversível, facilitando, assim, o alongamento da broca e a retirada da perfuração (RICARDO E CATALANI, 2007). Figura 12 – Perfuratriz percussivo-rotativa (REZENDE, 2012). 14 2.4.1.4 Furo-abaixo (DTH) Ao se atingir profundidades razoavelmente grandes para o avanço do furo, o esforço percussivo produzido na superfície é transmitido por meio das hastes até a extremidade do furo, acarretando uma dissipação de energia prejudicando o avanço da perfuração. A perfuratriz furo-abaixo evita essa dissipação de energia, uma vez que o mecanismo de percussão está na extremidade da broca, junto à coroa, parte mais extrema da broca e que efetivamente trabalha contra a rocha. Geralmente é aplicada em pedreiras de bancadas altas, acima de 20 m e possui um diâmetro de 75 mm a 225 mm. As vantagens é que a limpeza do furo é mais eficiente e o rendimento em metros de furo é maior para a mesma quantidade de ar comprimido, e, as desvantagens, em que a velocidade de perfuração e a vida útil das pastilhas são menores, não trabalham muito bem em rochas fraturadas ou na presença de água (RICARDO E CATALANI, 2007). Figura 13 – Perfuratriz furo-abaixo (REZENDE, 2012). 2.4.2 Avanços Para que se possa progredir com o furo e que ocorra um bom trabalho de demolição da rocha, é necessário um esforço sobre a perfuratriz. Nas perfuratrizes manuais, o operador executa o esforço, porém com a redução de custos da mão-de-obra e aumento da produção, avanços que dispensam o esforço humano foram desenvolvidos. Estes sistemas de avanço exercem pressão sobre o equipamento, podendo ser pneumático, de corrente e de parafuso (RICARDO E CATALANI, 2007). 15 2.4.2.1 Avanço Pneumático O seu acionamento se dá por ar comprimido. Um conjunto pistão-cilindro é ligado à perfuratriz, sendo o esforço sobre ela produzido pelo deslocamento do pistão contra o cilindro apoiado em um ponto fixo. Este avanço foi muito utilizado na escavação de túneis, obtendo como vantagens a economia de mão-de-obra, a pressão de avanço é mantido com maior uniformidade e uma maior produtividade da perfuratriz. Nas escavações a céu aberto apareceram com o nome de “bencher” (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.4.2.2 Avanço de Corrente Diferente do avanço pneumático, o esforço é exercido mecanicamente por uma corrente ligada à perfuratriz, tracionada provocando uma pressão da perfuratriz contra a broca, e desta contra a rocha. Nas escavações a céu aberto, o avanço da corrente é largamente utilizado, embora a perfuração possa não ser muito exata com relação à direção, e sendo a pressão exercida sobre a perfuratriz constante, quanto mais branda a rocha, maior a velocidade de perfuração (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.4.2.3 Avanço de Parafuso Igual ao avanço de corrente, este avanço também é feito mecanicamente, mas há a substituição da corrente por um longo parafuso. O avanço de parafuso quando comparado ao de corrente apresenta maior rapidez na perfuração, a posição do motor na extremidade superior torna-o menos vulnerável a choques e a vida útil do parafuso é da ordem de 50 mil m de perfuração, mas no caso do parafuso ser danificado, ele deverá ser substituído e sua estrutura de suporte de liga de alumínio é facilmente prejudicada por choques (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.4.3. Locomoção das Perfuratrizes É necessário o deslocamento dos equipamentos para que se possa perfurar diferentes furos localizados no canteiro de obras e após esse processo, a retirada e abrigo dos mesmos para que ocorra a detonação, e consequentemente, o deslocamento para novas frentes de trabalho (GERARD, 2006). 2.4.3.1 Locomoção Manual As perfuratrizes manuais são operadas e deslocadas manualmente por seus operadores na sequência dos furos. Para distâncias maiores, o transporte é feito por veículo, geralmente 16 um caminhão basculante que serve na linha de transporte da rocha detonada (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.4.3.2 Locomoção Tracionada Com a introdução de rodas e de uma estrutura de suporte, os deslocamentos ficaram mais simples e a produção das perfuratrizes não dependeu tanto de mão-de-obra. O equipamento foi montado em chassi sobre rodas, facilitando sua locomoção. Com esta locomoção tracionada ocorreu o desenvolvimento de perfuratrizes maiores, com maior produção (GERARD, 2006). 2.4.3.3 Locomoção própria Com a evolução do mercado, as perfuratrizes foram montadas sobre tratores, geralmente sobre esteiras, dispensando a utilização de qualquer outro veículo auxiliar. Assim, gerou a facilidade e rapidez de deslocamentos mais longes e também o desenvolvimento de equipamentos mais pesados e com rotação independente. As perfuratrizes montadas sobre esteiras facilitaram o acesso em rampas íngremes e o deslocamento sobre terrenos irregulares, o que é comum no serviço de escavação de rocha (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.4.4 Dimensionamento e seleção das perfuratrizes Para selecionar e dimensionar as perfuratrizes deve-se seguir alguns parâmetros, como: Velocidade de perfuração dos equipamentos; Litologia dos maciços rochosos – tipo de rocha a perfurar; Condições estruturais dos maciços rochosos. 2.4.4.1 Velocidade da perfuração Segundo Geraldi (2011), a velocidade é expressa em metros/minuto ou em metros/hora, sendo este o principal parâmetro na escolha de uma perfuratriz nos projetos de escavações em rocha. Para um mesmo tipo de rocha, a velocidade pode variar muito, pois outros parâmetros influenciam na velocidade a ser alcançada, como: Classe e potência da perfuratriz a ser utilizada; Diâmetro deperfuração; Maior ou menor profundidade do furo; Tecnologias modernas utilizadas em perfuratrizes e ferramentas; Problemas operacionais; 17 Perfil dos furos: verticais, inclinados ou horizontais. Em relação à velocidade de perfuração deve-se estar atento às seguintes condicionantes: As perfuratrizes percussivas ou rotopercussivas terão um desempenho melhor do que as rotativas em se tratando de rochas sãs, duras e resistentes; As perfuratrizes percussivas geralmente são mais lentas que as rotopercussivas; Furos de diâmetro superior serão executados mais lentamente que os de menor diâmetro; Para furos com diâmetros acima de 45mm devem ser utilizadas perfuratrizes montadas sobre carretas de perfuração, enquanto que de diâmetros inferiores à este, as perfuratrizes percussivas manuais atendem de forma rotineira; Com o aumento da profundidade do furo, a velocidade da perfuração cai devido à necessidade de manobras e acoplamento de hastes e pela perda gradual de energia de percussão e rotação, provocada pela extensão e pelo peso da coluna de perfuração; As perfuratrizes DTH terão melhor desempenho em furos profundos, se tratando de rocha sã. Na situação de rocha alterada ou branda, as perfuratrizes rotativas terão melhor desempenho; A velocidade das perfuratrizes hidráulicas são superiores quando comparadas às perfuratrizes pneumáticas; Os próprios operadores e as condições mecânicas das perfuratrizes são os problemas operacionais mais comuns, interferindo assim, na velocidade da perfuração. As deficiências de ar comprimido, a capacidade instalada ou perda de carga são os causadores dos problemas nas perfuratrizes pneumáticas; Os furos inclinados ou horizontais são perfurados com uma velocidade menor se comparado com os furos verticais, mesmo com diâmetro e profundidade iguais. Em furos horizontais, geralmente usados em escavações subterrâneas, são utilizados braços, lanças ou avanços para suportar o peso da perfuratriz e impulsionar a ferramenta contra a superfície rochosa, com isso a velocidade praticamente se iguala a velocidade que os furos verticais atingiriam. É necessário estabelecer uma velocidade de perfuração média que atenda aos planos de fogo e aos volumes de escavação de rocha, previstos no projeto e nos cronogramas da obra 18 ou da mineração. Após, será feito a seleção e a quantificação das máquinas necessárias e o fornecimento de ar comprimido. Segundo Geraldi (2011), outros fatores que podem interferir no cálculo da velocidade são: maior grau de fraturamento do maciço; presença de faixas ou bolsões de rocha alterada; condições topográficas locais; condições mecânicas da perfuratriz; problemas de operação; manobras e posicionamento das perfuratrizes; necessidade de furos com maiores diâmetros e maior profundidade dos furos. 2.4.4.2 Emboque dos furos e pressão de avanço Independente da perfuratriz em utilização, do diâmetro e a natureza do furo a executar e a classe de maciço rochoso a perfurar, alguns cuidados deverão ser tomados com relação ao emboque dos furos e a pressão de avanço. (GERALDI, 2011). O ponto de emboque do furo deverá estar convenientemente limpo, onde a remoção manual o solo capeante e de lascas rochosas é muito importante. Ao se prosseguir com a perfuração, já com a lança ou o braço da perfuratriz apoiado e pressionado contra o maciço, o operador deverá utilizar a percussão e a rotação em níveis reduzidos até que se configure o perfil ou a circunferência do furo. Para que toda a energia gerada pelos impactos do pistão seja transmitida através da haste para a coroa que vai quebrar a rocha, executando o furo, o operador deverá aumentar gradativamente a percussão e a rotação, mantendo a pressão de avanço da perfuratriz firme e constante. Caso isso não ocorra, poderá causar danos mecânicos e uma queda brusca na velocidade de perfuração (GERALDI, 2011). 2.5 Explosivos 2.5.1 Propriedades dos Explosivos É importante conhecer as propriedades dos explosivos, pois, com os diferentes tipos do mesmo, cada um será utilizado para um tipo de serviço. Do ponto de vista da escavação a céu aberto, as propriedades são classificadas em (RICARDO E CATALANI, 2007): 2.5.1.1 Força É a quantidade de energia liberada na detonação, expressa em porcentagem (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.5.1.2 Sensitividade Segundo Geraldi (2011), é a capacidade de um explosivo ser detonado por choques. A nitroglicerina é extremamente sensitiva, sendo facilmente detonada. 19 2.5.1.3 Velocidade Após a explosão da rocha, ocorre uma reação química com a produção de luz, calor e gases a uma pressão elevada. A velocidade com que a frente da reação química avança num explosivo de forma cilíndrica é definida como velocidade de detonação do explosivo. Esta velocidade varia de 1.500 a 7.500m/s (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.5.1.4 Sensibilidade É a capacidade de propagação da onda gerada pelo explosivo de um cartucho a outro, ou de toda a coluna explosiva presente no furo. A sensibilidade pode ser afetada pela falta de contato entre cartuchos ou por “vazios” criados em furos mal carregados (GERALDI, 2011). 2.5.1.5 Resistência à água Ao se detonar uma rocha, é importante saber se tem concentração de água nos furos, pois alguns tipos de explosivos não são resistentes à água, e assim, ficarão neutralizados e não detonarão. Esta resistência é medida pelo número de horas em que, tendo o explosivo ficado submerso em água, é ainda capaz de ser iniciado com eficiência e detonar completamente através de uma espoleta nº 6, conforme o “Bureau of Mines-USA” (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.5.1.6 Densidade Segundo Geraldi (2011), explosivos com maior densidade significam maior concentração de carga explosiva por metro linear de furo, consequentemente aumentando a razão de carregamento que é representada pela carga do explosivo (kg) por metro cúbico de rocha a detonar. 2.5.1.7 Segurança no manuseio Para Ricardo e Catalani (2007), até o explosivo chegar à área de detonação, ele sofre vários choques e transbordos, assim é de suma importância a segurança no manuseio para que não ocorra a detonação com facilidade. 2.5.1.8 Volume de gases Segundo Ricardo e Catalani (2007), os gases se desenvolvem ao longo da explosão e seu volume refere-se ao volume na temperatura e pressão de explosão, sendo divididos em duas classes: baixa expansão gasosa (até 800L/Kg) e alta expansão gasosa (acima de 800L/kg). 20 2.5.1.9 Gases tóxicos Os gases gerados a partir da explosão nas escavações em subsolos podem causar nos trabalhadores do desmonte, dores de cabeça e náuseas (RICARDO E CATALANI, 2007). Estes gases são classificados em: Categoria A: até 22,6L/Kg – classe 1 (pouco gases tóxicos) Categoria B: de 22,6L/Kg até 46,7L/Kg – classe 2 (quantidade elevada de gases tóxicos) Categoria C: mais de 46,7L/Kg e menos de 94,8L/Kg – classe 3 (quantidade elevada de gases tóxicos). 2.5.2 Tipos de Explosivos 2.5.2.1 Pólvoras negras Com a descoberta da nitroglicerina, a pólvora foi sendo pouco utilizada. São de baixa velocidade, enquadradas na categoria de baixos explosivos, muito higroscópicas, não podem ser utilizadas na presença de água. A pólvora é produzida em dois tipos (RICARDO E CATALANI, 2007): Tipo A: Praticamente utilizada para cortar pedras na produção de paralelepípedos, lajotas para revestimento de pisos e paredes, sendo pouco utilizada para desmonte intensivo de rocha. Tipo B: Utilizada na detonação de argilas e folhelhos, sendo de menor força e mais lenta. Figura 14 – Pólvora Negra (JROMAO, 2013).21 2.5.2.2 Gelatinas e Semi – Gelatinas Utilizados no desmonte de rochas muito duras, médias, a céu aberto, subterrâneas ou subaquáticas e apresentam alta resistência à água, baixa quantidade de nitroglicerina, menor velocidade e custo (MANUAL BRITANITE, 2010). Figura 15 – Explosivo gelatinoso (BRITANITE, 2012). 2.5.2.3 Anfos Basicamente composto de nitrato de amônia e é necessária a utilização de outro explosivo semigelatinoso, gelatinoso ou de um reforçador para iniciar o processo de detonação. Não possuem resistência à água, contém baixa densidade e baixo custo. Por ter baixa densidade, é utilizado para preenchimento de carga de coluna (RICARDO E CATALANI, 2007). Figura 16 – Explosivo tipo ANFO (WORLDAFFAIRSBOARD, 2013). 22 2.5.2.4 Granulados Segundo Ricardo e Catalani (2007), são em formatos de grãos e é necessária a detonação prévia de uma carga explosiva para dar início à explosão dos granulados. Não possuem resistência à água, são de baixa densidade e são facilmente manuseáveis a granel e adequados ao carregamento pneumático dos furos. Figura 17 – Explosivo tipo granulado Anfomax (BRITANITE, 2012). 2.5.2.5 Lamas explosivas Possuem consistência de uma pasta fluida contendo principalmente água em sua fórmula. Têm alta densidade e por ter uma consistência pastosa, ocorre o preenchimento total do furo, ajudando assim, na energia liberada. Pode ser aplicado em quase todos os tipos de rocha (RICARDO E CATALANI, 2007). Figura 18 – Lama explosiva (MANUAL BRITANITE, 2012) 23 2.5.2.6 Pastas Semelhantes às lamas explosivas, porém não contém nenhuma sensibilização por nitroglicerina e por conter uma adição de partículas metálicas finíssimas, aumentam a quantidade de energia liberada (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.5.2.7 Emulsão Encartuchada Explosivo encartuchado com alto poder de ruptura, alta resistência à água e grande potencia de detonação. Ideal para aplicação em minerações subterrâneas, a céu aberto, desmontes subaquáticos e construção civil em geral (MANUAL BRITANITE, 2010). Figura 19 – Emulsão encartuchada EMEX (EMEX, 2013). 2.5.2.8 Emulsão Bombeável São explosivos que preenchem totalmente o volume do furo, resultando em uma melhor distribuição e transmissão da energia para a rocha, eliminado os espaços anelares tomadores de energia. A facilidade na aplicação otimiza o ciclo de carregamento e reduz os custo com mão-de-obra. Sua aplicação é feita por unidades móveis de bombeamento, caminhões especiais (MANUAL BRITANITE, 2010). Figura 20 – Explosivo tipo emulsão bombeada (BRITANITE, 2012). 24 2.5.3 Escolha do Explosivo Segundo Ricardo e Catalani (2007), para que se possa escolher o tipo de explosivo certo, é necessário levar em consideração alguns fatores, como: Dureza da rocha (dura, média, branda); Tipo de rocha (ígnea, metamórfica, sedimentar); Natureza da rocha (homogênea fraturada); Presença de água; Região a que se destina (carga de fundo, carga de coluna); Diâmetro dos furos; Custo. Além das informações dos folhetos técnicos, é bom procurar informações que permite uma previsão do desempenho do explosivo, como: Pressão de explosão; Velocidade de detonação; Volume de gases; Energia absoluta; Energia relativa; Razão linear de energia; Potência disponível. Outro fator importante é testar o explosivo com a rocha a ser escavada e comprovar a sua eficiência antes de comprar uma grande quantidade. 2.5.4 Acessórios de Detonação É através dos acessórios que ocorre a detonação inicial, que provocará a explosão, sendo estes utilizados na escavação a céu aberto: Espoletas simples; Espoletas elétricas; Cordel detonante; Acendedores; Reforçadores (“boosters”); Escorvas; Sistema Não Elétrico. 25 2.5.5 Armazenamento e Manuseio dos Explosivos Deve seguir estritamente aos regulamentos ditados pelo Ministério do Exército através do R-105, não podendo o armazenamento, o manuseio e o transporte dos explosivos serem feito de forma improvisada. Segundo Ricardo e Catalani (2007), os explosivos e os acessórios de detonação não podem ficar armazenados em um mesmo paiol. Este, deve se localizar a uma distância mínima das ferrovias, rodovias e de outros paióis, conforme regulamento R-105. Os explosivos devem ficar em local desmatado para evitar que eventuais incêndios possam atingir os paióis e o acesso dos veículos deve ser de fácil acesso para permitir a operação de descarga e carga dos explosivos com menores riscos. 2.5.6 Carregamento dos Explosivos O carregamento é a introdução dos explosivos nas perfurações e deve ser feito com bastante cuidado, pois além dos riscos gerados, depende do carregamento a eficiência do fogo. Quando o carregamento não é feito apropriadamente, pode ocorrer a não-explosão dos cartuchos em alguns furos, o que acarretará um risco na operação subsequente se não for detectado, localizado e solucionado a tempo. O carregamento pode ser das seguintes formas (RICARDO E CATALANI, 2007): 2.5.6.1 Carregamento manual Segundo Ricardo e Catalani (2007), este tipo de carregamento é o mais utilizado no Brasil. Após a introdução do explosivo no furo, ocorre o adensamento através de soque. Executam-se cortes longitudinais de 10 a 12 cm de cada lado do cartucho para ocupar o máximo volume no furo, o que não ocorre quando os cartuchos já vêm perfurados ou embalados em papel fino. É importante obter um elevado adensamento na carga de fundo, pois é onde se concentra a maior quantidade de explosivo. O cartucho com a espoleta ou o cartucho com a ponto do cordel detonante, conhecidos como escorva, nunca devem ser socados ou forçados e não devem ser introduzidos em primeiro lugar, tendo, pelo menos, existir um cartucho como amortecedor. O tamponamento é a operação de preenchimento adequado do tampão e pode ser feito através dos detritos da própria perfuração (argila, areia ou argamassa de argila e areia na proporção 1:2). O tamponamento confina a carga explosiva, obtendo assim, o máximo de rendimento e quando se tem a detonação de vários furos de uma vez, ele evita que seja deslocado os cartuchos para fora dos furos, mantendo todos em sua posição. Precisa-se ter um 26 cuidado especial na hora do carregamento e do tamponamento, para que não avariem os fios das espoletas elétricas ou o cordel detonante (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.5.6.2 Carregamento mecânico Utilizado nos países europeus e na América do Norte, foram testados e aprovados. A partir destes testes, permitiu o carregamento mecânico através de tubos metálicos de dinamite amoniacal gelatinizadas com 35% de nitroglicerina em furos sem água. Quando se tem água, todas as dinamites gelatinizadas podem ser carregadas através de tubos metálicos. No caso de uso civil, mesmo em furos secos, são utilizados os tubos de polietileno. É feito por meio de ar comprimido a introdução dos cartuchos através do carregador pneumático. Os cartuchos são introduzidos manualmente através de uma culatra e conduzidos para dentro do furo através dos tubos de polietileno ou metálico. A velocidade de carregamento tornou-se maior devido o aprimoramento do projeto da culatra, levando a introdução de duas comportas estanques que permitem cada cartucho entrar na culatra mantendo-se a pressão no tubo. Mesmo em furos profundos, o carregamento mecânico obteve densidades maiores que as do manual (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.6 Escavações de Rocha Segundo Azevedo e Marques (2006), o processo de escavação consiste na retirada de materialde um maciço rochoso, produzindo uma abertura, cuja sua forma depende dos processos operacionais. Existem dois objetivos principais quando se trata de escavação de rocha: abertura de espaços para fins diversos e obter material de valor econômico inerente. Uma série de metodologias, técnicas de escavação mecânica ou com o auxilio de explosivos, instrumentações e serviços auxiliares necessários para escavar, desmontar, fragmentar ou cortar os maciços e blocos rochosos, atendendo a projetos de obras civis ou a produção de minérios para fins industriais, denomina-se “Escavações ou desmonte de rochas”. De acordo com a formação geológica do local do empreendimento, incluem-se desde as escavações mecânicas em mantos provenientes da alteração de maciços rochosos ou em sedimentos não consolidados, chegando até as escavações em maciços mais resistentes, formados por rochas alteradas e sãs (GERALDI, 2011). 2.6.1 Escavações com Auxílio de Explosivos O termo “escavação de rocha”, normalmente se refere às escavações em um material mais duro e resistente, que equipamentos mecânicos convencionais não conseguem desmontar 27 ou escavar, sendo necessário a utilização de explosivos ou de métodos, materiais e artifícios auxiliares especiais (GERALDI, 2011) Desta forma, podem ser consideradas inicialmente as seguintes classificações: Escavações, desmonte de rocha a fogo com explosivos. Escavações, desmonte de rocha a frio, por processos mecânicos e/ou com auxilio de materiais expansivos. Além dessa classificação inicial, as escavações de rocha podem ser realizadas em diferentes ambientes, abertos ou confinados, sendo subdivididas em: Escavações a céu aberto. Execução de cortes em rocha, regularização de topo rochoso, desmonte em bancadas, abertura de valas e trincheiras, aberturas de cavas de fundação, desmonte de blocos de rocha, cortes e desmonte controlado para obtenção de blocos de rocha. Escavações subterrâneas. Perfuração de poços verticais e raises, execução de galerias e túneis, câmaras subterrâneas e cavernas. Escavações subaquáticas. Derrocagens para ampliação de calado de portos e vias navegáveis, para correções e ampliação de calha de rios, para passagem de dutos especiais sob leito de rios, para remoção final de ensecadeiras e septos rochosos. 2.6.2 Escavações Mecânicas a Frio As escavações a frio consistem no emprego de técnicas, equipamentos, materiais expansivos e outros artifícios especiais, que são utilizadas rotineiramente na construção civil. Mas é na mineração principalmente, nas frentes de desmonte de blocos de rocha para a fabricação de pisos e revestimentos, que as técnicas vêm sendo desenvolvidas a cada dia. Devido ao fato desta indústria está em grande atividade, com produção crescente em nível mundial, nos últimos anos ocorreu um grande desenvolvimento na fabricação de novas ferramentas especiais para os cortes de rocha, eliminando praticamente o emprego auxiliar de explosivos nestes cortes (GERALDI, 2011). Devido a impactos causados pelo emprego de explosivos como as vibrações em áreas urbanas, a utilização de explosivos se torna restrita. Juntamente com as questões ambientais envolvidas, o desenvolvimento de equipamentos especiais para escavação a frio de túneis em rocha, os chamados TBM, Tunnel Boring Machines, vem se tornando cada vez mais uma 28 nova metodologia, gradativamente mais empregada, substituindo o método tradicional conhecido como Drill & Blast, com emprego de explosivos. O TBM vem sendo utilizado somente em túneis de longa extensão, acima de 8/10 Km e em maciços com condicionantes geomecânicos mais favoráveis devido ao seu alto custo de aquisição, como também sua montagem, instalação e operação. Porém, com os avanços tecnológicos estes custos vêm diminuindo, e o emprego destes equipamentos tende a se tornar uma rotina e compensar possíveis diferenças de custo em relação aos métodos tradicionais (GERALDI, 2011). 2.6.3 Desmonte Escultural Segundo Geraldi (2011), esta técnica é empregada nas escavações de rocha a céu aberto quando se deseja obter taludes com uma melhor definição geométrica, diminuindo a formação de overbreaks (escavações além da linha de projeto – offsets) e minimizando os efeitos das cargas explosivas sobre o maciço remanescente. Em escavações subterrâneas, o desmonte escultural vai gerar paredes e contornos de abóbadas de túneis, poços e câmaras bem definidas, mais seguros para o andamento dos serviços, obtendo-se também uma melhor conservação das condições geomecânicas dos maciços onde estão sendo executadas as escavações. 2.7 Escavações Escavação é o artifício para romper a compacidade do solo ou rocha, por meio de ferramentas e métodos convenientes, tornando possível a sua remoção. As operações de escavação são complementadas pelo carregamento do material escavado e, transporte e carga, sendo desta forma um ciclo (OLIVEIRA E BRITO, 1998). Segundo Geraldi (2011), os três parâmetros fundamentais para um projeto de escavação de rocha são: obter primeiramente o volume a ser escavado e as metas de produção (cronograma físico) do serviço à ser executado. Posteriormente qual o destino da rocha escavada, podendo ser: 1- Destinada para uma ADME (área de deposição de material excedente) preestabelecida. 2- Aproveitamento direto em obras como barragens e aterros por exemplo. 3- O beneficiamento mineral da rocha (tratamento). Por fim, o último parâmetro, que define qual a faixa granulométrica que a rocha obtida deverá estar em função de sua destinação final. 29 Condicionantes de suma importância como: a localização da área a ser escavada (geografia e topografia), as condições geológico-geomecânicas e as condições geométricas do projeto devem ser levadas em consideração. 2.7.1 Desmonte de Rochas em Bancadas Segundo Geraldi (2011), tomados estes cuidados para a elaboração do projeto, parte-se então para a etapa de execução, em que para seu perfeito funcionamento, é necessária em campo a preparação das frentes livres de escavação. Estas frentes devem ser bem definidas para se obter os melhores resultados possíveis nas operações de perfuração, detonação, carga e transporte do material detonado. O melhor procedimento é dividir o perfil topográfico do maciço rochoso em praças de serviços, criando inicialmente duas ou mais frentes independentes de ataque. Partindo da cota mais alta do projeto, define-se o primeiro nível, e logo em seguida os demais serão implantados de forma descendente, mantendo o mesmo desnível entre as praças, sendo este de grande importância, uma vez que determina a profundidade dos furos para as escavações de rochas com explosivos. Os desníveis não devem ser muito altos, inseguros, pois poderão gerar problemas de natureza geotécnica e executiva nas etapas de carga e transporte que serão realizadas na praça inferior (GERALDI, 2011). Segundo Gerard (2006), temos presente na bancada, três superfícies características: Praça – superfície onde operam os equipamentos de carga e transporte. Face – superfície vertical ou inclinada com a horizontal (2:1 ou 3:1) de acordo com as condições geomecânicas do maciço em escavação (que determinam a sua estabilidade) e também em função do plano de fogo a ser utilizado. Topo – onde os equipamentos de perfuração abrem uma série de furos no maciço para detonação da próxima frente. Segundo Ricardo e Catalani (2007), existem vantagens em se adotar, em determinados casos, face inclinada para a bancada, porque: Redução da sobrefuração no pé da bancada; Economia de explosivo, reduzindo-se o consumo por metro cúbico escavado; A face da bancadatorna-se mais segura, talude inclinado, sempre mais seguro que o vertical. Por outro lado apresentam desvantagens como: Maior possibilidade de ocorrerem desvios nas perfurações; Necessários maiores cuidados no embocamento do furo, reduzindo a produção; 30 Dificuldade na marcação da inclinação correta do furo. Todos os furos devem apresentar a mesma inclinação, o que é muito difícil de se conseguir, e ocorrendo variações no ângulo de perfuração e convergência dos furos, em vez do desejado paralelismo, resultará face irregular na bancada e mais aproveitamento do fogo. As bancadas podem atingir altura de até 20 m, porém normalmente são definidas entre 8,00 e 15,00m, por motivos de segurança e operacionalidade das perfuratrizes. As praças e as estradas de acessos rodoviários devem ser projetadas de maneira correta, atendendo as necessidades de trafego e manobra dos equipamentos de carga e transporte. Normalmente, a largura mínima de uma praça em desmonte de bancadas deverá sempre atender a seguinte relação (GERALDI, 2011): L > 3H (altura da bancada) Esta conformação permite maior agilidade e desempenho dos equipamentos de perfuração, carga e transporte. Também se torna necessária na obtenção dos melhores resultados com a utilização de explosivos, a partir das frentes livres bem estabelecidas. Este procedimento denominado desmonte em bancadas é muito utilizado em obras onde grandes volumes são escavados diariamente. É preciso sempre estar atento aos problemas de estabilidades das frentes durante e após os serviços de escavação. Na linha final de corte (offset) das frentes é recomendável que seja feito o desmonte escultural (GERALDI, 2011). 2.8 Plano de Fogo Denomina-se Plano de Fogo, o projeto executivo para o desmonte de rocha com uso sistemático de explosivos, onde serão definidos e apresentados preliminarmente (GERALDI, 2006): O plano de perfuração. A qualificação e quantificação de explosivos. Os esquemas de ligação e iniciação entre os furos que serão detonados. 2.8.1 Escolha do Plano de Fogo O plano de fogo considerado o mais adequado para um determinado trabalho de desmonte de rocha, dependerá, em primeiro lugar, do equipamento disponível para sua execução. Atendidas as limitações do equipamento, é possível mais de um plano de fogo 31 factível. Opta-se pelo mais econômico, desde que seja eficiente, desmontando a rocha em blocos de dimensões compatíveis com a finalidade do desmonte. De nada adiantará um plano de fogo com baixo consumo de explosivos por metro cúbico e também necessidades mínimas de furação, uma vez que resulte em blocos com dimensões que não caibam no equipamento de carregamento, ou ainda que não possam penetrar na boca do britador primário (RICARDO E CATALANI, 2007). 2.8.2 Custo de Perfuração e Detonação Segundo Ricardo e Catalani (2007), por meio dos valores do consumo de explosivos e dos metros de perfuração por metro cúbico de rocha, determina-se o custo da perfuração e detonação, sendo a soma de ambos um índice suficiente para se analisar a conveniência econômica do plano de fogo. 𝐼𝐶 = 𝑞 . 𝐴 + 𝑓 . 𝑀 Onde: q = consumo de explosivo por m³ de rocha no corte; A = custo do Kg de explosivo; M = custo do m de perfuração de determinado diâmetro; f = metros de perfuração por m³ de rocha; Logo, ao menor valor de 𝐼𝐶 , corresponderá o plano de fogo de menor custo previsto. Se necessário, serão feitos ajustes, adaptações e correções, de acordo com as observações dos resultados em campo nas primeiras detonações realizadas nas frentes de escavação. 2.8.3 Parâmetros do Plano de Fogo A elaboração de um plano de fogo envolve a determinação de vários parâmetros, que devem ser considerados no desmonte de rocha. Os parâmetros principais que devem constar em um plano de fogo são mostrados na figura abaixo sendo relacionados a seguir e, com esses dados procede-se às perfurações do maciço, ao carregamento do “fogo” e à sua detonação. 32 Figura 21 – Bancada para desmonte de rocha com os parâmetros do plano de fogo (MANUAL BRITANITE, 2012) 2.8.3.1 Diâmetro de perfuração (D) Segundo Geraldi (2011), com as metas de produção estabelecidas, escavação de rocha, procede-se a determinação dos diâmetros de perfuração e a consequente seleção e dimensionamento das perfuratrizes. Segundo Cameron & Hagan (1996 apud Morais 2004) nas operações de lavra de minas a céu aberto e pedreiras, os diâmetros de perfuração geralmente variam de 75 mm (3”) a furos de grande diâmetro, como 381mm (15”). Este parâmetro é determinado em função do equipamento de perfuração, que por sua vez deve estar coerente com o equipamento disponível para carregamento da rocha detonada. Isso significa que ambos, devem ter suas produtividades próximas, para que não ocorra ociosidade de nenhuma das partes ou não seja necessário um número elevado de unidades de um tipo de equipamento para se ter a produção adequada a uma unidade do outro tipo (RICARDO E CATALANI, 2007). Segundo Ricardo e Catalani (2007), outras grandezas do plano de fogo estão de forma direta ou indireta ligadas com o diâmetro do furo, por isso uma regra prática é levada em consideração: “o valor máximo do diâmetro do furo em polegadas é igual à capacidade da caçamba do equipamento de carga em jardas cúbicas”. Para a escolha do diâmetro de perfuração, o quadro abaixo indica as possibilidades dos equipamentos: 33 Tabela 2 – Diâmetro de perfuração dos equipamentos (RICARDO E CATALANI, 2007) Tipo de equipamento Diâmetro de perfuração Perfuratriz manual 1 1/4" "Bencher" 2 1/4" "Wagon-drill" 1 1/2" - 2 1/2" Perfuratriz sobre trator 2" - 5" Conjunto de perfuração 4" - 10" (ou mais) 2.8.3.2 Malha de Perfuração (S) Defini-se como malha de perfuração a área resultante do produto das distâncias (em metros) adotadas para a locação dos furos em uma frente de escavação de rocha (GERALDI, 2011): S (malha em m²) = A (afastamento) x E (espaçamento) Segundo Morais (2004), a malha de perfuração apresenta uma grande variação, dependendo do diâmetro de perfuração, das propriedades da rocha e dos explosivos, do grau de fragmentação e lançamento requeridos e da altura da bancada. Segundo Silva (2009), a geometria das malhas de perfuração pode ser quadrada, retangular, estagiada, triangulo equilátero ou malha alongada. Figura 22: Diferentes tipos de malhas de perfuração (SILVA, 2009) 34 Malhas quadradas ou retangulares: Devido ao seu formato é de fácil perfuração com menos tempo no deslocamento furo a furo. Malhas estagiadas: Devido à geometria de furos alternados dificulta a perfuração (maior tempo de locomoção furo a furo), porém possui melhor distribuição do explosivo no maciço rochoso. Malha Triângulo Equilátero: São malhas estagiadas com a relação E/A = 1,15. São indicadas para rochas compactas e duras. Possuem ótima distribuição da energia do explosivo na área de influencia do furo, maximizando a fragmentação. O centro do triangulo equilátero, o ponto mais crítico para fragmentação, recebe igual influencia dos três furos circundantes. 2.8.3.2.1 Afastamento (A) O afastamento é a distancia expressa em metros entre a frente da bancada (frente livre) e a primeira linha do fogo (linha de furos) a detonar. Quando está previsto duas ou mais linhas de furos a detonar no mesmo plano de fogo, o mesmo afastamento deverá ser mantido entre elas (GERALDI, 2011). Para um afastamento correto, adota-se uma regra prática que estabelece uma relação
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