Baixe Bombagem e drenagem das águas em minas a céu aberto e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Minas, somente na Docsity!
APRESENTAÇÃO
O referido trabalho destina-se a apresentar cálculos de bombagem e drenagem de água
apartir de uma mina a céu aberto inundada, que havia sido abandonada após cinco anos
de mineração, devido a inundação.
Depois de terem sido feitos várias tentativas de esgoto, através de um sistema de
bombagem, não se conseguiu atingir os objectivos pretendidos.
Foi feita uma seleção criteriosa dos materias usados para a bombagem e drenagem da
água na referida mina.
O grupo de trabalho, com os conhecimentos adquiridos na disciplina de Hidráulica, e
com o auxilio do docente da cadeira, apresenta dados que poderão servir como resposta
ao problema em causa.
Introdução
Todos aqueles que trabalham no mundo da mineração são conhecedores da dualidade
com que se apresenta a água: absolutamente necessárias para muitos dos processos e
operações a serem desenvolvidos, mas também elemento que origina problemas e
implica em custos adicionais importantes.
Todos estes problemas estão relacionados, com muita frequência, porque a mineração é
desenvolvida sob o nível freático, com grande incidência também das águas
superficiais, em maior ou menor intencidade. Daí deriva a necessidade de se drenarem
as águas do entorno da mineração, muitas veses com grandes vazões, relacionados com
o desenvolvimento de extensos conóides de drenagem, os quais devem ser mantidos ao
longo da operação de mineração. Outras veses com afluências reduzidas, mas de grande
transcendência para a melhoria das condições de estabilidade do maciço rochoso.
Nestas circunstâncias, produzem-se repercussões hidrológias, ambientais e econômica,
que impõem a gestão e manejo adequado dessas águas.
Logo existem pelo menos dois aspectos em que são fundamentais à influência das águas
nas minas. Em primeiro lugar a água é necessária ás explorações mineiras em que existe
uma fase inicial de tratamento de minérios que seja feita com água, para além das
necessidades de água noutras operações acessórias. O segundo aspecto, refere-se
quando nestas a água surge nos maciços em que se efectuam os trabalhos, e que para
levar a bom termo as operações é necessário elimina-la.
Surge uma necessidade de abordagem desta temática que em algunas casos impõe
enormes restrições e custos de trabalho mineiros quer se façam a céu aberto ou por lavra
subterrânea. Neste presente trabalho apresenta-se uma visão dos principais problemas
dessa inter-relação mina-água, assim como soluções técnicas aplicáveis.
2 - Ocorrência das águas Subterrâneas
É conhecido por todos que as águas existentes à superfície da terra se encontram num ciclo permanente. A evaporação seguida da condesação na atmosfera formando as nuvens e a sua posterior precipitação sob a forma de chuva, neve ou granizo são fases do ciclo que originam que parte dessas precipitações se façam sobre os continentes e que originem escoamentos superficiais de águas subterrâneas, que não deixam por isso de estr em movimento e integradas no ciclo geral das águas ou também conhecido ciclo hidrológico. As águas subterrâneas encontram-se em norma a preencher os vazios do terrenos ou maciços mais ou menos porosos e permeáveis, ou seja, materiais dotados de vazios interligados que podem ser ocupados po água e permitam o seu escoamento. A água contida nos terrenos apresenta-se principalmente nas seguintes formas:
- Água Pelicular – Que se apresenta como uma fina camada superficial das partículas resultantes de fenómenos de absorção por ligações eléctricas ou forças de Van-Der-Waals.
- Água Reticular – Que se encontra retida pela tensão superficial existente sobre a superfície e entre as partículas dos terrenos.
- Água de Gravidade – Que se escoa sobre a acção de gravidade.
As águas subterrâneas são constituidas essencialmente por água gravítica, que ocupando os vazios dos maciços permeáveis constitui uma camada ou toalha aquífera, cuja superfície é conhecida normalmente como superfície ou nível freático. São variados os tipos de maciços que podem armazenar águas( aquífero), entre os quais temos as areias e outros materiais desagregados e alguns materias consolidados principalmente os calcários, que sendo facilmente atacados por águas ácidas são bastante permeáveis e dão origem a grandes cavidades interligadas conhecidas como formações cárcicas.
2.1 - Circulação das Águas
As águas subterrâneas no seu estado natural encontram-se em movimento, o qual é regido por princípios da hidrodinâmica e da hidráulica. O fluxo de água através de aquíferos, pode ser expresso pela lei de Darcy, que consiste em fazer passar uma quantiadade Q de água através de um leito de areia, demonstrando assim, que o volume de água que passa através de um leito de areia é proporcional a pressão e inversamente proporcional a espessura do leito atravessado.
2.2 - Controlo das Águas
O objectivo do controlo a exercer sobre as águas é uma norma mais o de conseguir um abaixamento progressivo do nível das águas nos maciços que diminuiam a água presente no material arrancado e manejado, do que fazer somente a condução por valas e tubos e o armazenamento da água proveniente das frentes de trabalho, nos depósitos das instalações de bombagem. Assim todos os maciços que sejam dotados de vazios entre os seus constituintes minerias, mais ou menos interligados ( maciços porosos e permeáveis) que contenham água ou possam vir armazenar água ( aquíferos ou aquíferos potencias), e que tenham
interesse sob o ponto de vista da indústria mineira, exigem cuidados e estudos adicionais e podem implicar a necessidade de operações antes e durante toda vida de uma possível exploração. De notar então, que a necessidade de um controlo de água nas minas não deriva somente das águas subterrâneas mas também das águas das chuvas ou de escoamentos superficiais, que sob acção da gravidade se escoam na direção dos pontos mais baixos onde pode eventualmente existir uma exploração mineira.
2.3 - Meios de controlo Geral
Duma maneira geral não exitem regras ou meios normalizados para actuar no caso da existência de águas subterrâneas. Serão as condições espefícicas e os objectivos a atingir que definirão os meios e os modos de actuação. Para actuar com o mínimo de racionalidade na procura de soluções logo no início dos trabalhos que visam a um melhor estudo duma ocorrência, com vista a uma possível exploração, deverão ser feitos estudos e ensaios de natureza dos terrenos e as possíveis ocorrências de águas. O grau de conhecimentos obtidos e os trabalhos realizados serão ditados ou melhor, limitados pelos custos que podem ser despendidos nestes itens. Nos casos dos trabalhos continuarem com a finalidade de exploração, os conhecimentos obtidos indicarão quais os meios mais apropiados a empregar e os trabalhos que serão realizados. Os meios mais gerais de controlo podem ter um carácter preventivo, redução dos efeitos, ou o de fazerem a remoção da água.
Assim podem ser utilizados os seguintes tipos de controlo:
- Por redução ou transferência.
- Localizar os poços ou escavações nos melhores maciços e proteje-los de escoamentos directos da superfície.
- Utilizar métodos de desmonte que permitam um fácil controlo e diminuam as possibilidades de acidentes.
- Não explorar zonas muito húmidas ou potencialmente húmidas.
- Por Drenagem ou desvios de água na superfície ou próximo dela.
- Desviar rios, drenar lagos e regularizar correntes das chuvas para reduzir os escoamentos e evitar a recarga de aquíferos nas zonas interessadas.
- Interceptar e capturar a água em poços profundos.
- Limpar os taludes e construir canais de drenagem
- Impedir a entrada da água nos poços, fazendo a construção de barreiras apropiadas.
- (^) Plantar árvores nas zonas de baixo para aumentar a evapo-transpiração.
- Por impermeabilização ou redução da permeabilidade das massas rochosas.
- Impermeabilização e consolidação dos maciços por injecção de caldas de cimento ou substâncias gelatinosas.
- Fechar e impermeabilizar canais de fracturas(ou de outros)
- Fazer o tratamento da água para melhorar a qualidade ou recuperar algum produto.
- Reduzir o fluxo através da mina.
- Minimizar as mudanças do nível da água.
3 - Água de Drenagem nas Minas
Em numerosas minas é extraída muito mais águas que minério. É o caso, bem frequente, de operações de mineração que se localizem sob o nível piezométrico, de aquíferos livres ou confinados, dos quais deve ser bombeada a água subterrânea enquanto durar a explotação da mina. Exemplo práctico, acontece numa mina a céu aberto de Linhitos de Belchatów na polónia, que bombeia 62.500 m3/h, mediante muitas dezenas de poços tubulares, localizados na periferia e no interior da lavra; essa água somente é submetida a um processo de decantação, mediante barragens com plantações de densa vegetação. Uma drenagem como essa produz um extenso conóide de rebaixamento do nível pieozométrico. Perante esses problemas faz-se absolutamente necessária a implementão de actuações adequadas para reduzir ao máximo o acesso de águas (superficiais subterrânes) à lavra, mediante o desvio de escoamento superficial, aproveitamento de barreiras geológicas. Apesar de tudo isso por ser necessário efectuar a drenagem da mineração, neste caso a tecnologia mais convicente é a que se denomina Drenagem Preventiva em Avanço (DPA).
3.1 - As Vazões de Drenagem de Minas
3.1.1 - Comportamento Geral
Em muitas minas é necessaário realizar drenagens muito importantes, cujas vazões e volumes dependem, fundamentalmente, das características dos aquíferos afectados ( transmicividade, dimensões das fracturas, carga hidráulica, espessura de camadas protectoras, etc), das afluências induzidas das superfíciais, e das infiltrações rápidas das precipitações. De modo geral, nas minas com maiores afluências de água estão localizadas em áreas de maiores índices pluvimétricos, como como evidencia Pei em 1988, ao estudar os aportes de água em 15.750 jazidas minerais , na china. Citamos o exemplo práctico da mina na polónia, casos como estes muitas das veses obrigam ao abandono da exploração, temporariamente ou em definitivo. Assim, por exemplo, a escavação do poço Nº 2 da mina Konkola ( Zâmbia) teve que ser abandonada, após um bombeamento de 1,4.10^6 m 3 em sete meses, sem se conseguir um efeito apreciável no nível piozométrico, e a própria mina teve de ser abandonada durante seis anos devido a uma rápida irrupção de água que produziu sua inundação. Não esqueçamos que essa mina é considerada, por muitos como a de maior afluência de água no mundo, com um bombeamento de mais de 15.500 m 3 /h, alcançando vazões máximas mensais de 17. m^3 /h.
4 - Drenagem
4.1 - Objectivos da Drenagem
A drenagem das águas é uma das operações auxiliares mais importantes na minas.
A presença de água no interior das explorações dificulta as actividades de remoção e transporte e impede, muita veses, as próprias tarefas extractivas.
Além destes aspectos, a afluência de água às zonas de exploração e apresença de água nas formações existentes pode causar graves estabilidades.
Os objectivos da drenagem resumem-se em impedir a entrada da água, minimizar os seus efeitos no caso de entrar e extraí-la do interior das cavidades. Assim os sistemas de drenagem podem ser divididos em três tipo principais:
- Isolar a exploração
- Evitar danos interiores
- Remover a água do interior
4.2 - Sistemas de Isolamento
Constituem em impedir o fluxo de água para o interior das cavidades, e são compostos essencialmente, por valas, diques e tubagens.
O objectivo destes elementos é conduzir a água pelo exterior da mina, descarregando-as no ponto de menor cota. Para tal, definem-se valas de cintura para escoamento, limitadas internamente por diques de material impermeável, impedindo o galgamento pelas águas em situações extremas de escorrência.
Trantando-se de métodos preventivos, os sistemas de isolamento não podem ser negligenciados, tanto mais que as questões económicas levam a estabelecer estes sistemas como os mais adequados entre os vários sitemas de drenagem utilizados.
4.3 - Sistemas de Escoamento e acumulação
Por muitos eficientes que sejam os sitemas de isolamento, existem sempre passagens de água para o interior das cavidades, tanto devido a precipitação no interior do perímetro da mina, como ao fluxo subterrâneo da água.
Os sistemas de escoamento, a implantar no interior das minas, destinam-se a impedir que a presença de água afecte os trabalhos e a segurança na mina.
Os sitemas de escoamento, ou drenagem propriamente dita, são preparados para conduzir as águas para locais adequados, afastando-as dos trabalhos e impedindo a sua acumulação em locais que prejudiuqem a segurança.
Assim, estes sistemas podem ser constituidos por valetas e caleiras instaladas nos taludes, valas a acompanhar os acessos e , geralmente, culminam numa bacia de acumulação.
4.4 - Sistemas de Remoção
3º Nível
Camada impermeável
Fig 1 - Níveis inundados
Dados do terreno: Caudal adotado – 0,2m^3 /s Volume de água – 1700.000 m^3 relativamente aos três níveis. Número de bombas – 4, ligadas em paralelo Nível hidrostático (freático) nos terrenos – 1340m(cota) Rendimento adotado das bombas – 90% Profundidade da mina – 120m. Lb =450m
Para o cálculo dos diámetros: D 1 será calculado aplicando o processo iterativo cujos resultados estão apresentados em
uma tabela mais abaixo.
Utilizou-se como tipo de condutas as de ferro fundido. Que tem a seguinte fórmula:
Q= 35* D2.625*J 0.
As restantes iterações serão calculadas do mesmo modo. A tabela abaixo apresenta os
resultados dos valores correspondentes.
D1(,m) J 1 U 1 Y (^) B
Cálculo de altura de elevação da bomba ( Ht)
Ht= Z2-Z1+J1L (^) 1+J2L (^2)
Como o escoamento é feito de uma mina para uma área livre então a perda de carga
unitária dois (J2) será nula, e a fórmula ficará da seguinte forma:
Ht= Z2-Z1+J1*L (^1)
Ht= 150 – 122 + 0.613*
Ht= 303m
Cálculo da Potência das Bombas
P = 659867w
6.2 - Associação das bombas em paralelo
A associação das bombas em paralelo é considerada quando há uma vazão contínua.
A curva característica de uma associação em paralelo é obtida das curvas originais de
cada bomba pela soma das vazões unitárias para uma mesma pressão.
Argila 10-6^ e menor Silte 10 -5^ a 510- Areia siltosa 10-4^ a 210- Areia Fina 10 -3^ a 510- Areia ( mistura ) 510-3^ a 10 - Areia Grossa Limpa 10-2^ a 1 Seixo Limpo 1 e maior
Limites Granulométricos ( mm )
Argila Silte Areia Seixo calhau Pedra F M G F M G F M G 0.002 0.006 0.02 0.006 0.2 0.6 2 6 20 60 150mm
F - Fino M - Médio G - Grande
De acordo com dados obtidos e com o tipo de terrreno que possuímos, há necessidade de se fazer poços. Faz-se então a utilização de perfuratrizes, o tipo de perfuratriz dependerá do tipo de terreno ou de rochas.
Com as condições que o terreno apresenta, vamos trabalhar com um poço atravessando um manto freático sobre camada impermeável.
O poço, feito possui um raio r (^) o igual a 16cm, aberto num manto freático, e atinge a camada impermeável, horizontal, sobre a qual a carga hidrostática é Ho=150m, visto ser a distância que sai do último nível da camada impermeável até a camada que confina todo volume de água.
r (^) o Superfície do solo
Ho Y ho
r Impermeável R Fig.3 - Poço atravessando um manto freático.
De recordar que o nível hidrostático freático é de 1340m, e o diámetro adoptado do furo é de 0.36m, a carga hidrostática é de 150m, da exploração do furo ou do poço, a uma distância deste é igua a 2500m, adopta-se uma um valor médio para a permeabilidade relativa K igual a 5*10-3^ cm/s, considerando o valor de h (^) o igual a 1100m, de referir que a diferença Ho - ho , indica o rebaixamento no poço relativamente ao nível hidrostático.
Considerando que é um poço atravessando um manto freático sobre camada impermeável teremos a seguinte fórmula:
Os dados que possuímos são os seguintes:
Ho = 1340m
ho = 1100m
R = 2500m
r (^) o = 0.18m
K = 510-3^ cm/s = 510-5^ m/s
Substituindo estes valores na fórmula inicial teremos o seguinte:
Este será o caudal necessário para extrair um volume de água de aproximadamente 1700.000m^3 , dos três níveis que o poço atravessa.
Recomendações
Sendo evidente a complexidade que o tema acarreta e os trabalhos árduos que nele
foram feitos, deve-se ter certos cuidados, deveres e recomendações para resulatados
positivos do que se pretende. Os cuidados a serem tomados estão relacionados com
medidas que garantam a protecção do pessoal envolvido no trabalho e a utilização
correcta e adequada das máquinas que se dispõe, tendo em conta o ambiente de
trabalho, o modo de operação, suas capacidades etc.
Para bombagem a instalação deve-se assegurar o dimensionamento correcto e as
devidas inclinações que facilitam a fácil vazão de água possível.
Os trabalhos podem ser divididos em turnos para que não se causa a exaustão do
pessoal, de modos que se evite um decrescimento desnecessário da produção.
Para que não haja uma futura inundação, foi necessário a construção de valas de
drenagem com uma inclinação aceitável, e um monitoramento constante dos elementos
que poderão servir para a proteção da mina, contra a inundação.
Bibliografia
HIDRÁULICA; Q.C.ANTÓNIO; FUNDAÇÃO CALOUSTE GULBENKIAN- 2007
SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA; S.R. R Eduardo – 2003
BOMBAS E INSTALAÇÕES DE BOMBEAMENTO ; MANCINTYRE, ARCHIBALD J. - (1988)
www.wipipédia.com – 07/
