considerações sobre desmonte mecânico de calcáreo a céu aberto

CONSIDERAÇÕES SOBRE DESMONTE MECÂNICO DE CALCÁREO A CÉU ABERTO
Júlio César de Souza, UFPE, Prof. Adjunto, [email protected]
José Lins Rolim Filho, UFPE, Prof. Adjunto, [email protected]
Márcio Luiz de Siqueira Campos Barros, UFPE, Prof. Assistente, [email protected]
Belarmino Barbosa Lira, UFPB, Prof. Adjunto, [email protected]
José Édson Bezerra, CIBER – Wirtgen Group, Eng° de Minas, [email protected]
RESUMO
O presente trabalho aborda a aplicação da tecnologia de desmonte mecânico na lavra a céu
aberto de calcáreo na região de João Pessoa, estado da Paraíba. São apresentados dados
gerais de operação, produtividade e características construtivas do minerador Wirtgen
Surface Miner 2200 SM, em operação na lavra de calcáreo na Paraíba, com indicação das
metodologias de trabalho aplicadas. Também são comentadas outras tecnologias existentes
atualmente para desmonte mecânico de rochas a céu aberto. Por fim é apresentada a
performance do equipamento Wirtgen 2200 SM com dados práticos colhidos na operação
em João Pessoa indicando a produtividade média alcançada e resultados técnicos obtidos
em comparação ao desmonte convencional com uso de explosivos.
Palavras Chave: Minerador de superfície, calcáreo, lavra a céu aberto
ABSTRACT
The present work approaches the application of the continuous mining technology in
limestone quarriyng at the area of João Pessoa, state of Paraíba. General data of operation,
productivity and constructive characteristics of the Wirtgen Surface Miner 2200 SM are
presented, in operation at the limestone mining in Paraíba, with indication of the applied work
methodologies. Other existent technologies are also commented for mechanical dismount of
rocks in surface methods. The performance of the Wirtgen 2200 SM equipment is finally
presented with practical data picked in the operation in João Pessoa indicating the reached
medium productivity and technical results in comparison to the conventional method with use
of explosives.
Key words: Surface miner, slime, quarrying
INTRODUÇÃO
O desmonte mecânico de rochas com o uso de mineradores de superfície pode ser aplicado
nos setores de mineração, escavação de terra e construção civil. O uso de mineradores de
superfície na mineração permite o desmonte de rochas sem o emprego de explosivos,
possibilitando a mineração em locais próximos a zonas urbanas. Essa tecnologia aplica-se
na mineração seletiva de camadas delgadas ou inclinadas produzindo fragmentos de rocha
de pequeno tamanho. Nas operações de escavação de terra obtêm-se taludes precisos e
estáveis no corte de estradas, túneis, trincheiras, rampas, etc (Wirtgen, 2002).
Os principais benefícios alcançados na utilização de mineradores de superfície em
mineração estão relacionados com a substituição das operações de perfuração, detonação,
carregamento e britagem primária pela operação de corte, que traz as seguintes vantagens:
•
•
•
aumento da capacidade total do sistema
redução no custo operacional
várias operações executadas por um único equipamento possibilitando uma
coordenação, planejamento, despacho e manutenção mais fáceis.
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
As principais aplicações já testadas para os mineradores de superfície, que apresentaram
um bom desempenho técnico e econômico são (Wirtgen, 2002):
1. Mineração seletiva de camadas delgadas ou perturbadas devido ao controle preciso
da altura de corte para produção de carvão, fosfato e gipsita. Pode ser aplicado
também no decapeamento de coberturas não plásticas.
2. Explotação de material e cominuição sem necessidade de explosivos evitando
problemas de vibrações, lançamento de rochas (“fly rock”) e reduzindo o pó e poeira
oriundos das detonações. Partículas de pequena granulometria são obtidas
diretamente no corte não sendo necessária a britagem primária, o material sendo
posteriormente transportado através de correias.
3. Possibilidade de corte preciso de trincheiras, superfícies e rampas em calcáreo,
granito intensamente fraturado e outros materiais de resistência média a alta sem
necessidade de detonação, permitindo a obtenção de superfícies estáveis e com os
perfis projetados. A granulometria fina do material cortado permite o seu emprego
como cascalho.
4. Na reabilitação de estradas pode-se usar o equipamento para manter a superfície de
estradas existentes sobre rochas virgens em cavas a céu aberto ou subterrâneas.
Como a superfície gerada é bastante plana e estável permite tráfego intenso, alta
velocidade de translado, redução no consumo de pneus e combustível e melhoria
nas condições de segurança.
PROPRIEDADES FÍSICAS DAS ROCHAS
A performance do equipamento, consumo de ferramentas de corte e a operação econômica
dos mineradores de superfície são afetadas significativamente pelas propriedades
mecânicas da rocha a ser cortada. As principais propriedades mecânicas que afetam a
performance do corte são:
•
•
•
•
Resistência a compressão uniaxial e resistência à tração
Abrasividade
Estrutura da rocha (número, distância e direção das fraturas)
Plasticidade da rocha
Em geral os mineradores são capazes de cortar rochas com resistência à compressão
simples entre 10 e 80 MPa e em certas circunstâncias (material altamente fraturado) até
mesmo material mais rígido pode ser cortado economicamente.
O quadro abaixo, obtido junto a um fabricante de equipamentos, dá uma idéia inicial sobre o
rendimento possível de ser obtido no corte com diferentes modelos de minerador de
superfície (Wirtgen, 2002).
Potência
Largura
600 kW
2,20 m
790 kW
2,50 m
1.195 kW
3,70 m
1.195 kW
4,20 m
Branda
Rija
Muito rija
Gráfico 1) Rendimentos no corte com mineradores de superfície Wirtgen
Densidade:
1,3 t/m³ para óc = 10 MPa
2,5 t/m³ para óc entre 50 e 80 MPa
MINERADORES DE SUPERFÍCIE
Atualmente existem quatro grandes fabricantes de mineradores de superfície no mundo,
com equipamentos em operação comercial em diversas aplicações em rochas de resistência
branda a média tais como fosfato, calcáreo e gipsita (Woof, 2003).
A empresa MAN TAKRAF fabrica o modelo MTS 250, que está em operação no
Uzbequistão desde 2002 operando em mina de fosfato, possuindo uma potência total de
740 kW e capacidade de 500 a 700 ton/h com largura de corte de 3,75 m e profundidade de
800 mm (Woof, 2003).
A empresa italiana Bitteli, controlada pela Caterpillar, possui uma grande população de
máquinas em operação, em especial nos mercados da Índia e Europa. O modelo SF 202s
fabricado pela empresa, está operando com sucesso em minas de calcáreo da Índia nos
últimos três anos alcançando produções da ordem de 220 a 250 ton/h em material com óc =
35 MPa, com largura de corte de 2,2 m e profundidade máxima de 600 mm (Woof, 2003).
A Wirtgen alemã é a líder mundial no mercado de mineradores de superfície produzindo 4
modelos de série com bits convencionais e comando mecânico do tambor de corte. Os
modelos têm peso na faixa de 48 a 191 ton com motores de 600 a 1.195 kW de potência,
permitindo larguras de corte entre 2,2 e 4,2 m e profundidades máximas entre 300 e 800
mm. Esses equipamentos mostram grande viabilidade econômica no corte de calcáreo,
fosfato e carvão (Woof, 2003).
A empresa americana Vermeer está desenvolvendo os modelos Terrain Leveler T 1255 de
100 ton e T 1055, cuja tecnologia baseia-se nos tradicionais modelos de abertura de
trincheiras da empresa. Por utilizar a tecnologia de corte tipo “top-down”, os cortadores
possuem grande penetração nas rochas com resistência até 130 Mpa (Woof, 2003). Existem
hoje cerca de 9 unidades em operação nos Estados Unidos em diversas condições de
mineração, em especial na lavra de gipsita, calcáreo e decapeamento de coberturas
competentes. Em aplicação em calcáreo na República Dominicana o modelo T 1255
apresentou taxas de produção da ordem de 300 a 400 ton/h, com larguras de corte entre 3,4
a 3,7 m e profundidade máxima de 610 mm (WME, 2003).
CARACTERÍSTICAS DO MINERADOR DE SUPERFÍCIE WIRTGEN 2200 SM
Na lavra de calcáreo em João Pessoa – PB, na Mina da Graça, pertencente ao grupo
CIMPOR está sendo utilizado um minerador de superfície marca Wirtgen modelo 2200 SM,
em operação desde o ano de 2003 e com resultados bastante animadores em termos de
produtividade, custos e aspectos ambientais, segundo a empresa mineradora e o fabricante
do equipamento.
Pelas informações da empresa fabricante do equipamento essa é a primeira aplicação em
escala industrial na América do Sul. O minerador de superfície 2200 SM é projetado para
lavra de minerais industriais e foi selecionado para explotação de calcáreo na zona urbana
devido as seguintes razões:
•
•
•
•
A lavra é executada muito próximo a prédios residenciais (cerca de 300 m), que
estariam sujeitos aos transtornos decorrentes das vibrações e ruídos gerados nas
detonações.
O uso de explosivos é proibitivo também devido ao risco de lançamento de
fragmentos de rocha (“fly rock”) que poderiam atingir a área habitada próxima a cava.
Haja visto a granulometria obtida no corte com o minerador de superfície pode-se
dispensar a britagem primária, a qual era realizada por um britador móvel de
martelos, de alto custo operacional e que já estava obsoleto e necessitando
substituição.
A produtividade projetada do equipamento, e efetivamente obtida nos testes de
operação, mostrou-se compatível com os níveis de produção desejados pelo
mercado consumidor da matéria-prima explotada na mina.
Os principais componentes do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM pode ser
visualizado na figura 1 a seguir, onde são mostrados os principais constituintes do
equipamento. Entre esses se destacam os seguintes dispositivos:
•
•
•
•
Motor diesel: transmite a potência ao tambor de corte através de correias em V e
possibilita a operação sem necessidade de fonte de energia externa.
Tambor de corte: localizado no centro da máquina entre as quatro esteiras, perto do
centro de gravidade. O peso da máquina pode assim ser convertido em força de
corte.
Controle da profundidade de corte: dispositivo de ajuste automático da profundidade
de corte regulada por um sistema de nível montado na máquina. A profundidade
pode ser pré-selecionada e mantida automaticamente ou pode ser ajustada
manualmente.
Esteiras: dispositivo para movimentação do equipamento em número de quatro,
ajustáveis na altura e com velocidade variável.
Figura 1) Componentes do minerador de superfície (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
A minerador Wirtgen 2200 SM basicamente consiste de uma máquina a diesel montada
sobre 2 conjuntos de esteiras, possuindo em sua parte inferior um tambor rotativo com 76
ponteiras responsáveis pela fragmentação da rocha, que pode ser alçada por um sistema de
correias transportadoras montadas em uma lança instalada em sua parte frontal,
dependendo do método de trabalho utilizado.
Possui ainda um sistema de circulação de água, que faz passar a água pelo tambor e pela
correia transportadora, de modo a evitar o levantamento de poeiras.
O princípio de operação do equipamento é o da mineração contínua com desmonte
mecânico do material. Durante o translado do equipamento, um tambor rotativo, equipado
com bits de carbeto de tungstênio, que executa a operação de corte e cominuição do
material até um tamanho compatível com correias transportadoras. O tambor opera com
direção de corte para cima (“upward direction”). As ferramentas de corte são montadas no
tambor de corte na forma helicoidal e impulsionam o material para o centro do tambor em
sua parte posterior onde o mesmo é transportado para a correia de descarga através de
uma correia transportadora primária, conforme pode ser visto na figura 2 (Wirtgen, 2002).
Figura 2) Princípio de operação do Surface Miner (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
MÉTODOS DE OPERAÇÃO
Modo de colheita – método das fatias (Harvesting Mode – Slice Method)
Nesse método o minerador de superfície Wirtgen opera num determinado campo de
trabalho e corta continuamente o material em fatias paralelas com formato elíptico e
profundidade de corte pré-definida. Na parte central do campo de explotação são
executados cortes paralelos retilíneos conforme mostra a figura 3.
Figura 3) Método das fatias (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
Operação em blocos com corte de rampas (Block operation with ramps cutting)
Esse método é utilizado para integrar o minerador de superfície a minas já existentes que
usaram operações convencionais de perfuração e detonação em bancadas, conforme pode
ser visualizado na figura 4.
Figura 4) Operação em blocos com corte de rampas (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
Enquanto está cortando o bloco até o nível planejado o minerador também corta a sua
própria rampa. Após completar o corte do primeiro bloco, o próximo bloco pode ser iniciado
adjacente ao primeiro. Como a movimentação entre bancadas adjacentes é difícil e
consome muito tempo recomenda-se a aplicação de duas alternativas de operação:
1
2
Girar a máquina em uma área apropriada fora da rampa (essa área será minerada
após, junto com a bancada).
Reverter a máquina após terminar o primeiro corte e reposicioná-la no corte adjacente.
Operação em cortes paralelos (open cut)
A operação tipo “open cut” é observada na figura 5. Dependendo do comprimento e largura
do corte o minerador de superfície pode girar no final de cada corte ou voltar vazio e
começar o próximo corte no mesmo lado da área como no corte prévio.
Figura 5) Seqüência de cortes paralelos (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DOS MINERADORES WIRTGEN
Para realizar o giro em raios pequenos o tambor de corte deve ser elevado, deixando de
cortar. Para um giro em raios maiores pode-se deixar o tambor cortando simultaneamente.
Como regra geral o raio de giro dever ser maior que 12 vezes a largura de corte.
O raio de giro que pode ser aplicado depende entre outros fatores do material que está
sendo minerado e profundidade de corte. Quanto mais resistente o material menor deve ser
a profundidade de corte.
Os equipamentos possuem habilidade para realizar o corte com inclinações transversal e
longitudinal. O limite de inclinação transversal é de cerca de 8% enquanto que a inclinação
longitudinal pode chegar a 20%. O corte em condições inclinadas reduz a capacidade de
produção do minerador, dependendo do grau de inclinação e material minerado.
PRODUÇÃO EFETIVA
A produtividade do minerador também depende do comprimento da área de trabalho.
Quanto maior o comprimento de corte maior é a produtividade pois se reduz o tempo gasto
em manobras de um corte para outro. A velocidade de corte depende principalmente da
profundidade deste, resistência e estrutura do material, tipo de equipamento e potência
instalada. O gráfico 2 apresenta o comportamento da produção efetiva em relação ao
comprimento do corte. Em operações padrão a área de corte mínima deve ser de 100 m
para materiais rígidos (pequena velocidade de avanço) até 300 m para materiais brandos
(alta velocidade de translado).
COMPRIMENTO DO CAMPO DE EXPLOTAÇÃO
Gráfico 2) Estimativa de produção x comprimento (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
A performance de corte do minerador de superfície também é afetada significativamente
pelos seguintes parâmetros da máquina:
•
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•
•
•
Tipo de ferramenta de corte (bits)
Tipo de apoio da ferramenta de corte
Número de bits no tambor rotativo (espaçamento)
Ângulo de ataque das ferramentas
Velocidade de rotação do tambor de corte
Profundidade de corte
Velocidade de avanço da máquina
MÉTODOS DE CARREGAMENTO DO MATERIAL DESMONTADO
As opções de carregamento do material desmontado pelo minerador de superfície Wirtgen
2200 SM pode ser através do carregamento direto de caminhões com o uso de correia
transportadora de descarga ou o carregamento indireto e deposição temporária em pilhas no
piso da cava.
A figura 6 mostra esquematicamente as opções de carregamento possíveis de serem
aplicadas na operação do minerador de superfície.
Carregamento direto
de caminhões
Frontal
(front)
Lateral
(rear)
Carregamento
indireto
Posterior
(windrow)
Lateral
(sidecast)
Figura 6) Métodos de carregamento do material (Manual de produção, Wirtgen, 2002)
O carregamento direto de caminhões pode ser observado na figura 7 e apresenta a
vantagem de não exigir a retrabalho do material desmontado mas exige maior área para
manobra dos caminhões, ocorre desgaste da correia de descarga e a produção fica
dependente da disponibilidade de caminhões para serem carregados.
Figura 7) Carregamento direto de caminhões – método frontal
O carregamento indireto lateral, como mostrado na figura 8, pode ser usado para blendar
material na própria cava, formar estoques de minério na mina e não precisa esperar a
presença de caminhões para produção. Entretanto a produção limita-se a 3 ou 5 cortes de
cada lado da pilha formada, o material tem de ser retrabalhado por uma máquina de
carregamento convencional e o material tende a absorver água quando depositado no piso
da cava.
Figura 8) Carregamento indireto – método lateral
No carregamento através do método windrow (posterior), como mostrado na figura 9,
também não se necessita de caminhões para produção, as taxas de produção são maiores
do que com o uso de correias, o material pode ser mais graúdo e possibilita uma melhor
seletividade em camadas inclinadas. Entretanto necessita de grandes áreas de explotação,
o material tem de ser retrabalhado por uma pá-carregadeira ou “scrapper” e também tende a
absorver água quando depositado no piso da cava.
Figura 9) Carregamento indireto – método windrow
DADOS TÉCNICOS DO MINERADOR DE SUPERFÍCIE WIRTGEN 2200 SM
Os dados técnicos apresentados a seguir correspondem ao equipamento atualmente em
uso na mineração de calcáreo na Mina da Graça em João Pessoa - PB e foram retirados do
manual Wirtgen Surface Mining, edição 2002.
Largura de corte máxima
Profundidade de corte
Diâmetro do tambor de corte com ferramentas
Inclinação máxima do tambor de corte
Motor
Potência
Consumo de combustível carregado
Velocidade de translado
Peso bruto da máquina
Largura das correias
Capacidade de descarga das correias
2.200 mm
0 – 350 mm
1.140 mm
5°
Caterpillar 3412E
800 HP
150 lt/h
0 – 5 km/h
44.500 kg
1.100 mm
668 m³/h
Figura 10) Dimensões do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM
PERFORMANCE OBTIDA NA OPERAÇÃO EM JOÃO PESSOA – PB
Os dados obtidos junto as empresas CIMEPAR e GEOFOCUS que estão operando o
minerador de superfície Wirtgen 2200 SM na Mina da Graça (calcáreo) em João Pessoa PB indicam uma excelente produtividade do equipamento, obtendo-se em decorrência
custos unitários reduzidos quando comparados ao desmonte convencional com emprego de
explosivos.
Os dados de testes de operação indicam uma eficiência do equipamento da ordem de 85%,
eficiência operacional de 80% e eficiência total de 70%. Como exemplo pode-se citar o
teste 2 onde foram programadas 74,33 h de operação tendo-se obtido no final 51,89 h
efetivas de corte, 10,77 h de paradas para manutenção e 11,68 h de paradas operacionais.
A produção obtida no teste foi de 14.270 m³ o que nos fornece uma performance de corte de
275 m³/h e uma produção efetiva de 431,96 ton/h. O material lavrado apresenta em média
uma resistência à compressão de 20 MPa e resistência à tração de 1,50 MPa (ensaios
realizados na Universidade Federal de Pernambuco).
Nos testes de operação na Mina da Graça foram utilizados os métodos de carregamento
direto de caminhões, carregamento indireto lateral (sidecast – figura 11) e carregamento
indireto posterior (windrow – figura 12) tendo-se obtido a melhor performance com a última
alternativa. Com esse tipo de carregamento tem-se uma produtividade média de cerca de
450 ton/h no corte. Entretanto existe a necessidade de posterior carregamento do material
desmontado por pá-carregadeira e transporte por caminhões.
Figura 11) Minerador 2200 SM operando em modo sidecast durante testes na Mina da Graça
Figura 12) Minerador 2200 SM operando no modo Windrow durante testes na Mina da Graça
Além da vantagem econômica, o emprego desse equipamento vem viabilizando a operação
em áreas anteriormente problemáticas em função da proximidade de habitações, que
impediam o uso de explosivos. Dessa forma é possível aumentar-se consideravelmente as
reservas explotáveis, a um custo extremamente competitivo.
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos na operação do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM em João
Pessoa – PB mostram sua viabilidade técnica e econômica no desmonte de rochas brandas
(calcáreo) em zonas urbanas.
A utilização do minerador de superfície possibilitou a explotação de material em condições
críticas para o emprego de desmonte convencional com explosivos em função da
proximidade de habitações e mostrou ser uma ótima opção de lavra nessas condições, para
rochas de baixa resistência mecânica.
Pode-se estimar uma produtividade média de cerca de 450 ton/h para o minerador Wirtgen
2200 SM nessas condições de mineração, com uma eficiência operacional da ordem de
70%, sendo esses valores compatíveis com os dados fornecidos pela empresa fabricante do
equipamento. Esses valores são válidos para o material desmontado (calcáreo) com os
seguintes parâmetros de resistência mecânica: resistência à compressão uniaxial de 20
MPa e resistência à tração diametral de 1,50 MPa.
Essa produtividade é obtida com o método de carregamento tipo Windrow necessitando que
o material cortado pelo minerador seja posteriormente retrabalhado por pá carregadeira e
transportado até a indústria por meio de caminhões.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a empresa CIBER, representante nacional do Grupo Wirtgen, pelo
apoio e fornecimento dos manuais de produção e dados técnicos do minerador 2200 SM e
as empresas CIMEPAR e GEOFOCUS pela disponibilização dos dados de operação na
mina de calcáreo da Graça em João Pessoa - PB .
BIBLIOGRAFIA
Wirtgen. (2002) Surface Mining Manual. Edition 2002. 50 pp.
Woof, M. (2003) Surface cuts. World Mining Equipment, vol 27 n° 10. pp 35 – 38.
Woof, M. (2003). MAN for all seasons. World Mining Equipment, vol 27 n° 7. pp 26 – 28.
WME (2003). World Mining Equipment, vol 27, n° 1. pp 2