AVALIAÇÃO DO MODELO DEPOSICIONAL DOS REJEITOS
6.1 – INTRODUÇÃO
Os estudos experimentais realizados in situ, abordados neste capítulo, contemplaram a simulação dos modelos de disposição dos rejeitos, através de baias experimentais, de modo a caracterizar a influência destes processos sob condições controladas de fronteira, bem como sondagens piezométricas efetuadas no reservatório da barragem de rejeitos em operação, visando à obtenção relação de tendência das leis constitutivas de adensamento dos resíduos.
Neste propósito, foram construídas baias experimentais para monitoramento e controle do lançamento, da disposição e segregação hidráulica destes materiais através do depósito e ao longo do tempo. Os procedimentos de monitoramento incluíram controle das massas específicas, medições das alturas dos depósitos formados, levantamento topográfico da praia formada e caracterização granulométrica dos materiais em diferentes seções das baias experimentais.
Na barragem de rejeitos em operação, foram realizadas coletas de amostras de material para caracterização granulométrica e medições de massa específica ao longo da praia. Além disso, foram feitas medições das variações de poropressões em profundidade ao longo do perfil do depósito, através de ensaios de sondagens piezométricas.
Estes estudos foram aplicados para as mesmas composições de rejeitos estudados previamente em laboratório, visando caracterizar as similaridades e especificidades do comportamento geotécnico dos rejeitos num mesmo ambiente deposicional.
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6.2 – CONSTRUÇÃO E ENCHIMENTO DAS BAIAS EXPERIMENTAIS
Inicialmente, foram construídas três baias, para cada mistura de rejeito, com 10,0 m de comprimento, 1,0 m de largura e 1,0 m de profundidade, que foram impermeabilizadas com geomembrana de PEAD (polietileno de alta densidade) de 1,5 mm de espessura, cuidadosamente ajustada ao fundo e às laterais da escavação (Figura 6.1).
Figura 6.1 – Baia experimental impermeabilizada com geomembrana de PEAD
Duas das baias foram utilizadas para as medições da massa específica e monitoramento das alturas de rejeitos por 17 e 8 semanas respectivamente; a terceira destinou-se à coleta de material para ensaios de aferição em laboratório.
O lançamento dos rejeitos foi realizado por meio de mangotes de borracha com 10″ de diâmetro até o total preenchimento das baias (Figura 6.2). Os teores de sólidos variaram entre 20 e 30%, sendo esta relação diretamente afetada pela presença ou não de magnetita. Na presença deste material de grande densidade, impõe-se a necessidade de mais água para o lançamento, reduzindo-se o teor de sólidos da polpa. Para garantir o enchimento total das baias, um extravasor, na forma de um pequeno rebaixo, foi executado na extremidade da baia, oposta ao ponto de descarga, conduzindo assim, a
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água sobrenadante em percolação contínua ao longo do depósito em direção à barragem em operação, localizada imediatamente à jusante.
Figura 6.2 – Lançamento do rejeito nas baias experimentais
Visando analisar comparativamente o comportamento da segregação das partículas dos rejeitos (L+F) e (L+F+M) ao longo de praias de deposição, foram construídas duas outras baias maiores, com 45,0 m de comprimento, 1,0 m de largura e 1,0 m de profundidade, igualmente impermeabilizadas com geomembranas de PEAD (Figura 6.3).
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O lançamento dos rejeitos foi realizado sob vazão constante por 7 horas em cada baia, tempo necessário para a formação da praia e o reservatório com rejeitos submersos. O enchimento das duas baias foi realizado em dias diferentes. Ambas as baias possuíam extravasores similares aos das primeiras, do tipo rebaixo, localizados na extremidade oposta à de descarga dos rejeitos. As Figuras 6.4 e 6.5 ilustram, respectivamente, os processos de enchimento das duas baias, com rejeitos do tipo ‘lama+flotação’ e ‘lama+flotação+magnetita’.
Figura 6.4 – Lançamento do rejeito L+F na baia de 45 metros
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Durante o período de enchimento, foram coletadas amostras da água removida pelo extravasor, para monitoramento do teor de sólidos das águas efluentes das baias, que indicaram as seguintes variações:
• Baia I: lançamento e disposição do rejeito L+F: 1,6% (início de enchimento) a 0,2% (final do enchimento);
• Baia II: lançamento e disposição do rejeito L+F+M: 0,7% (início de enchimento) a 0,3% (final do enchimento).
6.3 – CONTROLE DAS MASSAS ESPECÍFICAS DOS REJEITOS
Levando-se em consideração que a massa específica é um parâmetro fundamental na avaliação da capacidade de estocagem do reservatório, foram realizadas medições na barragem em operação e nas baias experimentais. Por outro lado, tendo-se em vista que a metodologia de disposição propicia a segregação hidráulica dos rejeitos, foram realizadas medições da massa específica também ao longo das praias formadas, compreendendo, portanto, estudos tanto nas baias de 10 m (baias curtas) como nas baias de 45 m (baias longas).
Na barragem em operação, além das medições realizadas ao longo da praia, foram realizadas medições da massa específica em pontos aleatórios no entorno dos sistemas de lançamento de rejeitos, espigotes de 10″ e tubo de PEAD de 28″, conforme abordagem apresentada ao final deste capítulo.
6.3.1 – Avaliação da Massa Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Curtas As análises das massas específicas foram realizadas em quatro seções (pontos) ao longo da baia, do “Ponto 1” mais próximo ao “Ponto 4” mais afastado da descarga. Em função das variações específicas do posicionamento dos pontos de coleta das amostras ao longo dos estudos, é mais apropriado referir-se a uma faixa ou seção de observação do que a um dado ‘ponto de observação’. As medidas das massas específicas foram previstas inicialmente para serem executadas na superfície e em profundidades de 0,50 m e 1,0 m
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do depósito, ao longo dos diferentes estágios de secagem dos rejeitos nas baias, utilizando-se um amostrador tipo caneco (Figura 6.6) e um cilindro biselado, conforme as prescrições da norma NBR 9813 (ABNT, 1987).
Figura 6.6 – Amostrador utilizado para as medições da massa específica
Entretanto, em função das dificuldades operacionais para a cravação do amostrador, as medidas foram limitadas à superfície dos rejeitos, tornando-se o procedimento genericamente adotado nas análises de campo. A Figura 6.7 ilustra o procedimento de campo para obtenção das massas específicas in situ, mediante a utilização de cilindro biselado.
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Os três rejeitos estudados foram lançados e monitorados seguindo os procedimentos citados acima, ao longo de dezessete semanas, tomando-se a média aritmética entre as leituras (massas específicas do rejeito seco) efetuadas nas duas baias associadas. Os resultados obtidos estão apresentados nas Figuras 6.8, 6.9 e 6.10.
Figura 6.8 – Monitoramento de massa específica do rejeito L+F seco, disposto em baia
Para o rejeito L+F, observa-se um claro comportamento em termos de segregação hidráulica ditada pelos padrões da massa específica do material, com esse efeito, as massas específicas tenderam a ser, sistematicamente, maiores para as seções mais próximas ao ponto de lançamento.
Por meio do monitoramento realizado ao longo das dezessete semanas, tornou-se possível explicitar a massa específica média do rejeito ‘lama+flotação’ seco para cada um dos pontos (seções) analisados, bem como os valores dos respectivos desvios- padrão entre as medições, nos seguintes termos:
• Ponto 1 – 2.308,14 kg/m³ com desvio padrão de 156,76 kg/m³;
• Ponto 2 – 2.137,42 kg/m³ com desvio padrão de 140,55 kg/m³;
• Ponto 3 – 2.088,84 kg/m³ com desvio padrão de 136,92 kg/m³;
• Ponto 4 – 1.829,02 kg/m³ com desvio padrão de 139,54 kg/m³;
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Figura 6.9 – Monitoramento da massa específica do rejeito L+F+M seco, disposto em baia
No caso do rejeito ‘lama+flotação+magnetita’, o comportamento anterior é repetido (decréscimos das massas específicas ao longo da praia de rejeitos), com maior concentração destes efeitos na zona imediatamente adjacente à descarga dos rejeitos (ponto 1). Pelo monitoramento realizado ao longo das dezessete semanas, as variações das massas específicas médias do rejeito ‘lama+flotação+magnetita’ seco e dos respectivos desvios-padrão ao longo dos pontos (seções) analisados, foram as seguintes:
• Ponto 1 – 2.197,13 kg/m³ com desvio padrão de 220,21 kg/m³;
• Ponto 2 – 1.988,88 kg/m³ com desvio padrão de 96,85 kg/m³;
• Ponto 3 – 1.865,74 kg/m³ com desvio padrão de 134,17 kg/m³;
• Ponto 4 – 1.782,82 kg/m³ com desvio padrão de 80,59 kg/m³;
• Variação máxima entre valores médios: 18,86%.
Observa-se, entretanto, neste caso, que a variação máxima entre os valores médios das massas específicas, embora inferior ao caso anterior (18,86% contra 20,76%), é mais pronunciada na zona de deposição da baia situada adjacente ao ponto de descarga dos rejeitos (variação de 9,5% neste caso contra 7,4% de variação das massas específicas entre os pontos 1 e 2, obtida para o rejeito ‘lama+flotação), ou seja, a deposição de finos
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de ferro é incrementada na fase inicial do processo de disposição dos rejeitos, em função da agregação da magnetita.
Figura 6.10 – Monitoramento da massa específica do rejeito M seco, disposto em baia
Para os rejeitos de magnetita, o padrão da massa específica tendeu a ser muito mais uniforme ao longo da praia, sem a caracterização explícita dos efeitos de segregação hidráulica ao longo da baia. Adicionalmente, verifica-se uma tendência inversa aos casos prévios, em que as massas específicas médias tenderam a ser crescentes ao longo da praia, demandando análises complementares envolvendo as frações granulométricas e as composições mineralógicas nas diferentes seções investigadas das baias.
As variações das massas específicas médias do rejeito ‘magnetita’seco e dos respectivos desvios-padrão associados a estas leituras ao longo dos pontos (seções) analisados, foram as seguintes:
• Ponto 1 – 2.670,13 kg/m³ com desvio padrão de 123,73 kg/m³;
• Ponto 2 – 2.695,41 kg/m³ com desvio padrão de 128,28 kg/m³;
• Ponto 3 – 2.795,32 kg/m³ com desvio padrão de 103,03 kg/m³;
• Ponto 4 – 2.818,04 kg/m³ com desvio padrão de 150,10 kg/m³;
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Devido a este comportamento singular, a praia de rejeitos de magnetita tende a ser bastante acentuada (Figura 6.11), com a ocupação otimizada do reservatório, exigindo um contínuo remanejamento dos pontos de descarga destes rejeitos.
Figura 6.11 – Lançamento e formação da praia de rejeitos de magnetita na barragem
6.3.2 – Avaliação da Massas Específica dos Rejeitos Depositados nas Baias Longas Os procedimentos de controle da massa específica foram aplicados também às baias de maior extensão, de 45,0 m de comprimento, que haviam sido previstas inicialmente apenas para avaliações do comportamento geotécnico dos rejeitos em termos de segregação hidráulica. Neste caso, as medições foram limitadas a um único evento, para o depósito dos rejeitos formado, imediatamente, após o completo enchimento das baias.
As massas específicas foram obtidas por meio do amostrador tipo caneco (Figura 6.12), ao longo de 23 pontos, espaçados de 2,0 m, ao longo da praia de rejeitos, em ambas as baias.
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Figura 6.12 – Coleta de rejeitos nas baias longas, por meio de amostrador
A Figura 6.13 apresenta os resultados dos valores das massas específicas obtidas para os rejeitos secos de ‘lama+flotação’ e “lama+flotação+magnetita’, ao longo das baias experimentais.
Figura 6.13 – Monitoramento da massa específica para rejeitos secos de L+F e L+F+M (baias longas)
As variações observadas são bastante expressivas, ratificando a influência considerável dos mecanismos de segregação hidráulica no modelo deposicional dos rejeitos
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estudados. Na região submersa, as massas específicas tendem a permanecerem estabilizadas sob valores muito reduzidos (abaixo de 1000 kg/m3), com impactos significativos sobre a capacidade de armazenamento do reservatório.
6.3.3 – Avaliação da Massa Específica ao longo da Praia de Rejeitos da Barragem De maneira similar, os estudos da avaliação do modelo deposicional dos rejeitos do processo de beneficiamento da mina de Nióbio de Araxá, em termos de massa específica, foram extrapolados para a praia, formada na barragem em operação, sendo investigados seis pontos ao longo do reservatório da barragem, com o ponto P1 localizado próximo à descarga dos rejeitos e o ponto P6 localizado mais próximo do lago (Figura 6.14).
Figura 6.14 – Pontos de análises de massa específica na praia da barragem em operação
O ponto P2 está localizado a 65 m do ponto P1, sendo os demais espaçados da ordem de 130 m. Os ensaios foram executados em julho de 2010, em período de paralisação da Unidade de Concentração para manutenções, e a metodologia empregada foi da análise da massa específica, por meio de ensaios com cilindro biselado. Estas condições propiciaram o acesso direto aos rejeitos, para todos os pontos pré-estabelecidos, sem necessidade de dispositivos especiais. Os resultados obtidos estão indicados na Figura 6.15.
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Figura 6.15 – Monitoramento da massa específica, ao longo da praia da barragem em operação
Nota-se que os efeitos da segregação hidráulica são evidentes, conformando o domínio da praia de rejeitos em dois patamares característicos, localizados entre os pontos P2 e P4 e entre P5 e P6. Tal conformação é condicionada em larga escala pela disposição zoneada, atualmente em vigor na barragem, caracterizada pela disposição isolada dos rejeitos na zona da praia compreendida pelos pontos P5 e P6 utilizados no monitoramento (Figura 6.14).
6.4 – CONTROLE DO ADENSAMENTO PELAS ESPESSURAS DE REJEITOS Na concepção original, pretendia-se avaliar a evolução do adensamento dos rejeitos com as perdas de umidade, em paralelo às medidas das massas específicas, mas estas abordagens não foram viáveis operacionalmente, pois não foram estabelecidos pontos fixos para o monitoramento ao longo do tempo, gerando dados inconsistentes. Assim, optou-se por esvaziar as baias, proceder a novos lançamentos de rejeitos e fixar pontos para o monitoramento específico do adensamento, por meio da medição da variação de altura da superfície do rejeito depositado.
Os procedimentos de campo compreenderam a determinação continuada das cotas de superfície tomadas ao longo de quatro pontos igualmente espaçados das baias de 10 m
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de extensão (P1 a P4, de montante para jusante da baia), com base em leituras efetuadas em estacas de madeira graduadas, cravadas no depósito de rejeitos e em terreno natural, nas bordas das baias (Figura 6.16).
Figura 6.16 – Estacas de madeira para medição das espessuras de rejeitos
As leituras iniciais foram feitas a partir do lançamento dos rejeitos, sendo realizadas, então, medições semanais durante oito semanas consecutivas. A medição das cotas foi realizada com a utilização de nível geométrico e mira topográfica. Os resultados deste monitoramento estão apresentados nas Figuras 6.17 a 6.19.
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Figura 6.18 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos L+F+M (medidas superficiais)
Figura 6.19 – Monitoramento das espessuras dos rejeitos M (medidas superficiais)
Os rejeitos estudados não apresentaram variações significativas de espessuras ao longo do período de monitoramento (as variações medidas foram da ordem de milímetros) sob peso próprio, particularmente para os rejeitos de magnetita e independentemente da zona de monitoramento. Constata-se, portanto, que o comportamento geotécnico dos materiais é ditado primariamente por sedimentação direta e não por adensamento propriamente dito, sendo condicionado basicamente pelas características químicas e mineralógicas dos rejeitos.
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Uma vez que as partículas são constituídas essencialmente por espécies minerais com densidades elevadas, os rejeitos tendem a depositar rapidamente, assim que dispostos nas baias experimentais. A água da polpa forma uma lâmina sobrenadante que tende a ser rapidamente encaminhada em direção ao extravasor e removida, então, do depósito. Estes resultados estão restritos, por outro lado, aos condicionantes impostos aos fenômenos de segregação hidráulica dos materiais em condições de baias de pequeno porte. Na barragem em operação, este comportamento geral é também observado, associado, entretanto, a um determinado nível de adensamento dos rejeitos, induzido, nestes casos, pela ação das sobrecargas representadas pela disposição seqüenciada de grandes espessuras dos rejeitos.
6.5 – SEGREGAÇÃO HIDRÁULICA DOS REJEITOS
A segregação hidráulica é um fenômeno que ocorre nos reservatórios de barragens de rejeitos, no qual a distribuição granulométrica do material depositado varia ao longo da praia formada. Normalmente, a área mais próxima do ponto de lançamento tende a ser ocupada pela fração mais grossa do rejeito e, à medida que se afasta do ponto de descarga, a granulometria do material tende a ir ficando mais fina.
O processo de segregação depende de uma série de fatores, que incluem a distribuição granulométrica do rejeito, a composição mineralógica, o regime de fluxo e as variáveis da disposição, particularmente a natureza do processo de descarga, a vazão e os teores de sólidos presentes na polpa. A segregação representa a tendência da fração sólida dos rejeitos de se depositar de forma diferenciada na praia de deposição, criando assim um gradiente de concentração que interfere diretamente na composição granulométrica do depósito. Esse fenômeno tende a gerar uma enorme variabilidade estrutural, alterando significativamente os parâmetros de resistência, deformabilidade e condutividade hidráulica, ao longo do depósito.
O transporte por arraste de sedimentos heterogêneos em meio aquoso é um processo bastante complexo que se dá por meio de mecanismos de rolamento e escorregamento das partículas, ao longo do fundo da praia de deposição. Estes processos são regidos
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pelos esforços tangenciais, mobilizados no fundo da camada viscosa e fortemente afetados pelas forças ascensionais, impostas pelo regime turbulento do fluxo (Gomes, 2006). Visando avaliar o comportamento dos rejeitos em termos dos mecanismos de segregação hidráulica, foram coletadas amostras de materiais depositados ao longo das baias longas (45 m de extensão) e na barragem em operação.
6.5.1 – Processo de Segregação Hidráulica nas Baias Longas
Nas baias longas de 45 m de extensão, a amostragem foi realizada ao longo de pontos espaçados de 5,0 m, a partir de um ponto inicial (P1), localizado a 2,5 m do ponto de descarga dos rejeitos, com auxílio do amostrador, especialmente fabricado no escopo deste trabalho.
As amostras foram encaminhadas para o Laboratório de Solos da empresa ARC Engenharia, em Uberlândia/MG, tendo sido realizadas as análises granulométricas das mesmas de acordo com as prescrições da norma NBR 7181 (ABNT,1984b). As curvas granulométricas obtidas estão apresentadas nas Figuras 6.20 e 6.21, para os rejeitos ‘lama+flotação’ e ‘lama+flotação+magnetita’, respectivamente.
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Figura 6.21 – Curvas granulométricas do rejeito L+F+M, depositado na baia de 45 m
Constata-se que, no caso do rejeito ‘lama+flotação’, a segregação hidráulica é ditada essencialmente pela granulometria das partículas, ocorrendo à deposição da fração mais grossa no trecho inicial de 7,5 m da baia (limite da locação do ponto P2). Três zonas distintas podem ser caracterizadas no processo, limitadas pela locação dos pontos P2, P6 e P8, aproximadamente. A presença da magnetita no rejeito (Figura 6.21) promove uma clara distinção entre as curvas granulométricas dos pontos P1 e P2, evidenciando os efeitos combinados das distribuições granulométricas e massas específicas neste caso, e uma forte tendência de homogeneização de tamanhos das partículas, ao longo da baia, nos trechos compreendidos entre os pontos P3 e P8.
6.5.2 – Processo de Segregação Hidráulica na Barragem em Operação
Na barragem em operação, a coleta de amostras foi realizada ao longo da praia de rejeitos, na região passível de acesso sem riscos de perda de suporte. A amostragem foi realizada em 10 pontos distribuídos ao longo da praia, com uma distância entre eles de aproximadamente 65 metros (Figura 6.22).
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Figura 6.22 – Pontos de coleta das amostras na barragem para as análises de segregação
Em cada ponto, a coleta de amostras foi realizada em 4 níveis, em superfície e nas profundidades de 0,50 m, 1,0 m e 1,5 m. Para a realização da amostragem, cravou-se um tubo de 2,0 m de comprimento e de 200 mm de diâmetro, sendo as amostras retiradas do interior do tubo por um dispositivo tipo cavadeira. Cada amostra foi adequadamente acondicionada em saco plástico e, então, encaminhada para o Laboratório de Solos da Unidade de Concentração, para realização de análises granulométricas, em duas etapas: por peneiramento para a fração mais grossa e por granulometria a laser para a fração fina (fração de partículas inferiores a 0,074mm). A curva granulométrica final foi obtida pela conjugação dos trechos obtidos em cada uma destas fases dos ensaios.
As curvas granulométricas que estão apresentadas na Figura 6.23, foram determinadas pelos pontos gerados, com base na média aritmética dos valores obtidos para os quatro níveis de amostragem, adotados para cada ponto de coleta. Os resultados evidenciam os
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efeitos de segregação na praia de rejeitos por aspectos granulométricos, com exceção dos pontos P1 e P5, nos quais constata-se a relevância das interferências das densidades no processo final de disposição das partículas dos rejeitos.
Figura 6.23 – Curvas granulométricas dos rejeitos depositados na barragem em operação
6.6 – ANÁLISE DA DECLIVIDADE DAS PRAIAS DE REJEITOS
A declividade da praia de sedimentação do rejeito é um parâmetro de extrema importância para a operação de uma barragem de rejeitos, uma vez que condiciona, em larga escala, as zonas de distribuição dos lançamentos dos rejeitos, visando otimizar o processo de ocupação geral do reservatório da barragem.