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GEOLOGIA DE MINA: FUROS DE SONDAGEM E CARACTERIZAÇÃO
FABIO SANT' ANA
FRANCISCO BARROSO
JOSÉ RICARDO JUNIOR (JRJ)
Graduandos em Engenharia de Minas pela Universidade Federal de Minas Gerais
Resumo
A geologia de mina é uma área que estuda as pesquisas geológicas realizadas durante execução da cava da mina. Essas pesquisas são realizadas para diminuir as incertezas e fazer um planejamento a curto prazo do processo. Esse estudo engloba conhecer e decidir sobre quais as técnicas de coleta de dados e analise dos resultados podem ser utilizados. Dentre as varias atividades realizadas podem ser destacadas os furos de sondagem: sua classificação, os principais tipos, modos de utilização, vantagens de cada processo, e a caracterização tecnológica das amostras: como ela é realizada e quais técnicas são utilizadas .
Palavras Chave
Geologia de Mina, Sondagem geológica, caracterização mineral tecnológica.
1. INTRODUÇÃO
Os trabalhos de geologia de mina desenvolvidos pelas empresas de mineração tem a intenção de integrar as áreas de: geologia, caracterização tecnológica, planejamento de lavra, controle de qualidade, beneficiamento e tratamento de minério, utilizando essas informações para atingir o máximo de produtividade e qualidade. A base para essas atividades são as informações contidas no modelo geológico, entre elas: os tipos de minério, a posição dos contatos tipológicos, os teores mineralógicos, as características físicas, e ainda, o comportamento dos tipos no processo. O objetivo é buscar uma maior confiabilidade dessas informações.
Para se ter um maior controle das atividades da mina é necessário desenvolver testes de pesquisa mineral durante o processo de lavra, possibilitando com isso o acompanhamento do desenvolvimento da mina. Para isso são utilizadas várias técnicas, entre elas destaca-se a sondagem e a caracterização tecnológica que serão abordadas nesse trabalho.
2. METODOLOGIA
Durante as a realização das atividades geológicas da mina são coletadas amostras nas frentes de lavra através de : coleta direta dos materiais que estão expostos e realização novos furos de sondagem para coletar amostras mais profundas. Essa amostras são enviadas para o laboratório onde é realizado a sua caracterização tecnológica. Busca-se a melhor representatividade possível da amostra em relação às características do tipo de minério no local.
Essas amostras fornecem novas informações de pesquisa a serem utilizadas pela Geologia de Mina em suas atividades de rotina, e representam um aumento do
suporte amostral para atualização modelo geológico já criado.
Dentre as varias atividades geológicas realizadas constantemente nas minas daremos maior importância aquelas que geram resultados mais sucintos e possuem custos de operação mais elevados.
2.1 Sondagem
Utilizadas para investigar, caracterizar e amostrar materiais geológicos em profundidade (solos, rochas, etc.), bem como, para identificar o nível de água subterrânea, as sondagens são necessárias a diversas áreas da engenharia, mineração e meio ambiente, sendo que para cada tipo de material a ser perfurado (se solo ou rocha) e tipo de empreendimento (fundação, estabilidade de taludes, mineração, etc.) utiliza-se um ou mais tipos de sondagens associadas.
2.1.1 Classificação segundo suas características geométricas
Três são os parâmetros que definem uma sondagem: A longitude, o diâmetro e a inclinação.
2.1.1.1. Longitude:
As sondas podem ser classificadas nos seguintes grupos:
Superficiais: Até 200m.
Poço profundo: 200m a 1200m.
Profundidade média: 1200m a 2500m.
Profundos: 2500m a 4000m.
Muito profundos: mais de 4000m.
Na sondagem minera, a profundidade esta compreendida nos dois primeiros grupos.
2.1.1.2.Diâmetro:
A gama dos diâmetros é muito ampla, variando de um mínimo de 20 mm a 800 mm. Os diâmetros são expressos em mm ou em polegadas. É pratica habitual iniciar a sondagem com um determinado diâmetro que vai reduzindo a medida que o poço aprofunda. Na mineração são frequentes os diâmetros compreendidos entre 36 mm e 146 mm.
2.1.1.3. Inclinação:
Dependendo da sua inclinação, as sondas podem ser classificadas em:
Verticais.
Inclinados.
Horizontais.
Dirigidos, quando apresentam inclinação variável forçada para alcançar um objetivo.
O sentido da perfuração, normalmente, é descendente, mas não são raros os casos em minas subterrâneas em que se perfura no sentido horizontal e ascendente.
2.1.2. Métodos de perfuração por sondas
2.1.2.1. Sondagem rotativa
Sondagem rotativa é um método geológico-geotécnica que consiste no uso de um conjunto moto mecanizado, com a finalidade de obter amostras de materiais rochosos, contínuas e com o formato cilíndrico, através da ação perfurante dada basicamente por forças de penetração e rotação que, conjugadas, atuam com poder cortante.
Existem vários métodos de sondagem que utilizam o príncipio de rotação na perfuração de poços, sendo os mais utilizados:
Perfuração Manual: Sondagem a trado e Sondagem "empire" ou "banka".
Perfuração Mecânica: Sondagem a diamante, Sondagem grenalha ou cálix, Sondagem "Rotary".
2.1.2.2. Sondagem a Diamante (perfuração mecânica)
É realizada em geral com o auxílio de uma coroa de forma anelar, contendo inúmeros diamantes encravados, que em rotação e em alta velocidade, corta o terreno segundo uma seção circular, separando um cilindro do material penetrado do resto da rocha.
2.1.2.3. Sondagem a Grenalha ou Cálix (perfuração mecânica)
Este método tem um principio de funcionamento semelhante ao da sondagem diamantada, sendo que, nas formações atravessadas, a perfuração do terreno é efetuada por seção, através de coroas lisas extremamente duras. Estas são comprimidas sobre os grãos de quartzo ou esferas de aço de pequeno diâmetro (grenalha), que por abrasão no fundo do poço, vão cortando as rochas.
2.1.2.4. Sondagem Rotary (perfuração mecânica)
O processo de perfuração é realizado com o auxílio de trépano ou broca, que, girando rapidamente no terreno, corta e reduz a rocha a pequenos fragmentos, à medida que ocorre a penetração nas formações.
2.1.2.5. Sondagem a Trado (perfuração manual)
Nestas sondagens a perfuração é efetuada graças à rotação manual do trado diretamente contra o terreno. Existe uma grande variedade de trados, sendo que as maiores variações são quanto à forma do elemento cortante.
Utilizada para a coleta de amostras de solo e identificação do nível d'água. Este método de sondagem atinge profundidades rasas e funciona bem até atingir o nível d'água. Basicamente, é uma perfuração manual de pequeno diâmetro, feita com um trado para a investigação de solo de baixa a média resistência. A coleta de amostras é feita a cada metro de avanço ou quando ocorre mudança do tipo de material perfurado.
2.1.2.6. Sondagem "Empire" ou "Banka"
A perfuração é executada pela introdução de uma tubulação no aluvião graças ao primeiro movimento de rotação, executada por operários ou animais.
2.1.2.7. Sondagem a Percussão
As perfuratrizes a percussão empregam o princípio de queda livre, para desferir golpes ritmados contra o fundo do poço. Os fragmentos cortados são recuperados com o auxílio de bombas de areia, caçambas de limpeza, amostradores de solo ou através do fluido de circulação.
Neste tipo de sondagem, além da coleta de amostras de solo e identificação do nível d'água, são obtidos índices de resistência a penetração do solo a cada metro. Este método de sondagem consiste na introdução de um tubo de aço no solo através de golpes de um peso de cravação para avanço em profundidade (ensaio "SPT"), com amostrador na ponta para armazenamento e coleta do material perfurado. Intercalado aos avanços por golpes de peso onde se obtém os índices de resistência do solo a cada metro, o avanço é feito com trado manual quando acima do nível d'água, e por lavagem, quando abaixo deste.
2.1.3. Espaçamento das sondagens.
Em uma situação ideal, o espaçamento das sondagens depende da fase em que se encontra a investigação e decidir os objetivos perseguidos. Em qualquer caso, quanto maior a precisão requerida, mais informação se necessita e, por tanto, menor deve ser a malha de sondagem.
Os reconhecimentos preliminares a s sondagens podem estar distantes pois tem o objetivo de investigar sequencias estratigráficas ou litológicas, ou reconhecer uma determinada falha ou descontinuidade. Nessa fase a sondagem pode estar situada de 10 a 15 km de distancia. Sua jazida é encontrada, e o espaçamento de reduz, por exemplo, ao um retículo de 500m, que, por sua vez, se fecha ajustando a configuração do depósito até malhas de 100mx100m ou inclusive menores.
O fechamento das malhas de sondagem obedece a sucessivas interpretações geológicas que são feitas cada vez que termina uma campanha de investigação em campo. Depois da finalização de cada uma delas, os dados obtidos são lidos aos de campanhas precedentes e volta-se a estudar o conjunto. Na nova interpretação as informações em que as áreas variam são corrigidas. Os dados recentes obtidos confirmam a interpretação existente.
2.1.4 Campos de Aplicação das sondagens.
Os campos de utilização são muito amplos e distintos, pois em cada caso devera selecionar o método mais adequado. A escolha nem sempre é evidente, já que depende do solo, dos parâmetros técnicos das rochas e da equipe de perfuração e também da finalidade da sondagem, sua localização, a economia da execução, autorizações administrativas, climatologia, etc. Por estas razões, não se pode estabelecer regras ou critérios rígidos para seleção e, em cada circunstância, tem que se analisar os condicionantes e as características dos equipamentos disponíveis para assim escolher o que melhor se ajusta.
2.1.5. Trabalhos de sondagem operação Minas-Rio Anglo América.
A sondagem minerária é uma das principais atividades em andamento do projeto Minas-Rio,da Anglo, que inclui também a construção de um mineroduto de 525 km e de um porto no litoral fluminense. A sondagem é uma atividade realizada para a obtenção de amostras que fornecem dados geológicos qualitativos e quantitativos. Em geral, as perfurações têm diâmetro de 7,09 centímetros e até 250 metros de profundidade.
A Anglo está realizando sondagem em Conceição do Mato Dentro e em Alvorada de Minas (MG). As praças de sondagem são abertas de acordo com mapeamentos aéreos e de superfície feitos pela equipe de Geologia da Anglo.
Um índice de 60% da malha aberta já foi sondado. A distância entre os furos é de 200 metros, medida que diminui gradativamente e deve chegar a 50 metros.
Para a realização da sondagem, empregam-se materiais inertes e biodegradáveis, como argila (lama de perfuração), usados no resfriamento das ferramentas de corte e para garantir a estabilidade nas paredes dos furos.
A lama produzida na sondagem é armazenada num poço licenciado, localizado em área de propriedade da Anglo. Os furos são selados com cimento e sinalizados com placas. Após os trabalhos, a área é recuperada.
Em algumas perfurações, pode jorrar água. Conhecido como artesianismo, esse fenômeno é causado pela diferença entre as pressões subterrânea e atmosférica.O jorro é contido por meio do tamponamento, feito com a introdução de uma peça de borracha chamada packer ou com cimento. "São materiais inertes, ou seja, que não reagem com a natureza e não contaminam o solo nem a água", explica José Centeno, gerente de Recursos Hídricos da Anglo.
Reflorestamento:
A sondagem é dispensada de licenciamento ambiental. Para ser realizada, a empresa precisa ter um Documento Autorizativo de Intervenção Ambiental (DAIA), nova nomenclatura da antiga Autorização Para Exploração Florestal (APEF).
A permissão é emitida pelo Instituto Estadual de Florestas (IEF), mediante proposta de recuperação do local e de plantio compensatório, na proporção de dois hectares para um, ou seja, a área replantada deve ter o dobro do tamanho da que foi desmatada.
No caso da Anglo:
Exemplo disso é a antiga área de pastagem na Fazenda Estiva, em Dom Joaquim (MG). A empresa já realizou o plantio compensatório de 50 hectares de mata (referente às APEFs 0024485 e 0024552). Serão plantados ainda outros 16 hectares. "O cultivo será feito no final do ano, aproveitando a estação de chuvas", explica Flávia Rodrigues, coordenadora de Meio Ambiente da Anglo.
2.2. Caracterização tecnológica
A caracterização tecnológica é uma das etapas mais importantes dentro da Geologia de Mina. Durante o desenvolvimento das atividades dos depósitos minerais são amostradas alíquotas das frentes de lavra com o objetivo de se conhecer melhor as características do minério em explotação. A caracterização mineralógica de um minério determina e quantifica toda a assembleia mineralógica, quantifica a distribuição dos elementos úteis entre os minerais de minério. Além disso, estuda as texturas da rocha, define diversas propriedades físicas e químicas destes minerais, gerando informações potencialmente úteis para realizar a otimização da lavra e do beneficiamento do minério.
A maneira de se caracterizar uma amostra de minério, varia muito com a própria mineralogia e as propriedades inerentes ao minério, bem como com os objetivos e a abrangência da caracterização. De maneira geral, a caracterização de uma amostra é executada em vários estágios, com forte interdependência entre sí. Os estágios de caracterização, que são executados mais freqüentemente, são descritos a seguir:
2.2.1. Fracionamento de amostra
O primeiro estágio é o fracionamento da amostra, que objetiva facilitar a identificação dos minerais pela sua relativa individualização, melhorar a quantificação das fases e estabelecer certas propriedades físicas dos minerais, já incorporando informações úteis para processo.
Essa etapa busca separar de maneira coerente as amostras para realização das demais etapas. A parte mais importante desse processo é a amostragem, desde o momento em que o material é retirado da mina, na cominuição do material e na separação das alíquotas para cada processo, é muito importante escolher uma amostra que represente grande parte da mina. Um erro de amostragem nessa etapa desqualifica totalmente as demais etapas.
2.2.2. Identificação dos minerais
A segunda etapa do processo consiste em identificar os minerais presentes na amostra. Essa etapa é importe mesmo tendo em vista que os estudos geológicos prévios já apontam os principais minerais presentes no local.
A identificação dos minerais é baseada nas propriedades que o definem como o mineral, ou seja, composição química e estrutura, e propriedades físicas decorrentes. Os métodos mais empregados para identificação dos minerais nesta escala são as microscopias ópticas (lupa, microscópio estereoscópico, microscópio petrográfico de luz transmitida e de luz refletida) e eletrônica, e a difração de raios X.
2.2.2.1. Microscopia óptica
O trabalho em lupa ou microscópio estereoscópico permite análise das amostras em grão, sem necessidade de se montar secções polidas ou delgadas. Os minerais são identificados por cor, brilho, hábito, clivagens, fratura, e é possível utilizar técnicas auxiliares diretas, como punção com alfinete para confirmar pintas de ouro ou delaminar micas e vermiculita, interação com imã, ou testes microquímicos. Para estes últimos, alguns grãos são colocados em placas de Petri ou placas de toque de porcelana, e os testes mais comuns são ataque com HCl diluído para verificar partículas de carbonatos que efervescem (calcita efusivamente, dolomita menos), redução superficial a Sn de cassiterita (em HCl diluído e zinco metálico), e fósforo com molibdato de amônio (em HNO3 diluído).
As microscopias ópticas de luz transmitida, para minerais transparentes, e de luz refletida, para minerais opacos, são provavelmente os métodos de identificação de minerais mais tradicionais. Baseiam-se ambos na interação da luz (geralmente luz branca do espectro visível) com os minerais, e são bastante precisos e flexíveis para análises
qualitativas.
2.2.2.2. Difração de Raio X
A difração de raios X é outra das ferramentas básicas para caracterização mineralógica de minérios. O método baseia-se na interação de ondas na frequência de raios X (geralmente entre 0,70 e 2,30 Å) com os planos de repetição sistemática do retículo cristalino. Pela própria definição, portanto, aplica-se apenas a materiais cristalinos, e não a amorfos.
A Lei de Bragg fornece a base teórica do método: λ = 2d senθ, onde λ é o comprimento de onda da fonte de raios X utilizado, d são as distâncias interplanares e θ é o ângulo da reflexão. Um conjunto das diversas distâncias interplanares d é típica para cada mineral, e estão tabuladas em diversas referências, sendo a mais difundida e utilizada a do ICDD (International Center for Diffraction Data).
2.2.2.3 Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV
Outro equipamento imprescindível à caracterização de minérios e materiais é o microscópio eletrônico de varredura (MEV), principalmente se estiver acoplado a um espectrômetro de dispersão de energia (EDS, ou EDX) para permitir determinação de elementos químicos em pontos de até 2 µm de diâmetro. O funcionamento do MEV é baseado na interação de um feixe de elétrons finamente colimado com a amostra. O MEV fornece, basicamente, imagens em níveis de cinza proporcionais a algum sinal gerado pela interação do feixe com a superfície da amostra. Para aplicações gerais, as imagens mais comuns são as de elétrons secundários, produzidos pela interação do feixe com os átomos presentes na amostra.Estas imagens são excelentes para topografia, e provavelmente a sua maior aplicação para tecnologia mineral é verificar a morfologia de minerais, podendo atingir magnificações muito elevadas (resolução da ordem de poucos nm). A imagem da Figura 3.6 é um exemplo prático, uma zeólita NaY trocada com Nd para catálise, onde a boa formação dos cristais fica comprovada.
2.2.3. Quantificação dos Minerais
A terceira etapa é quantificação dos minerais, é uma etapa muito importante na caracterização de uma amostra, geralmente bem mais complexa que a simples qualificação dos minerais, e fortemente dependente da mineralogia da amostra e dos recursos analíticos disponíveis.
Nesta etapa, é fundamental que se tenha em mente as reais necessidades do projeto como um todo, uma vez que uma quantificação mais simplificada, com maior erro e/ou agrupando um conjunto dos minerais, pode ser satisfatória apesar de consumir uma fração do tempo e dos recursos analíticos de uma análise completa.
Os procedimentos de quantificação mais comumente aplicados são:
1) Cálculos estequiométricos a partir de análise química e da composição mineralógica da amostra;
2) Método de refinamento de espectro de difração de raios X multifásico total;
3) Análise de imagens.
É normal a combinação de vários dos métodos acima. A quantificação dos minerais é mais fácil numa fração mais concentrada, e que o recálculo considerando as massas das frações reduz, sobremaneira, o erro na composição das amostras.
O cálculo estequiométrico é o método mais tradicional, e em diversas situações
também o mais preciso para a quantificação das fases. Basicamente, de posse da análise
química total ou parcial da amostra, da composição mineralógica e da composição dos
minerais, são calculados quanto de cada mineral está presente na amostra. Depende,
portanto, de diversos condicionantes que devem ser satisfeitos
O método de refinamento de espectro multifásico total de difração de raios X (método de Rietveld), de maneira simplificada, consiste em se minimizar a diferença entre espectros medido e calculado, passo por passo, num difratograma digital (Rietveld 1970). A grande vantagem do método para quantificação é justamente que se utilizam todos os pontos de um espectro, e superposição de picos, que usualmente inviabilizam outros métodos de quantificação por difração de raios X em amostras pulverizadas, que pouco afetam o método de Rietveld, apenas dificultam a identificação qualitativa.
A análise de imagens é um dos métodos mais antigos de quantificação de fases, uma vez que contagem de pontos em microscópios ópticos de luz transmitida ou refletida (análise modal) é utilizada há muitas décadas. A contagem de pontos consiste numa análise, com incremento fixo (que depende da magnificação – função basicamente do tamanho dos grãos) nos eixos X e Y da platina, onde se conta o número de interceptos decada mineral que é identificado com o cruzamento dos fios, no centro do campo de observação. São necessários milhares de pontos para obter um valor minimamente significativo, implicando em muito tempo de operador especializado.
3. CONCLUSÃO
A geologia de mina é uma etapa muito importante no desenvolvimento de uma mina e é realizada continuamente durante os processos de mineração no Brasil e no mundo.
Após analisar as operações mais usadas na Geologia de Mina podemos destacar a importância e a constante utilização por parte das mineradoras de furos de sondagem e de caracterização tecnológica dos materiais coletados nas frentes de lavra.
Para a realização de sondagens a maior dificuldade enfrentada pelos engenheiros de minas responsáveis por realizar a Geologia de mina é saber qual tipo de sondagem utilizar. Podemos concluir que a decisão do melhor instrumento e da melhor técnica de perfuração a ser utilizada para a realização de furos de sondagem vai variar de acordo com o tipo de depósito que estamos estudando. Portanto o profissional responsável deve conhecer o maior numero de técnicas possíveis, sabendo diferenciar e conhecer as vantagens do uso de cada técnica, como descrito nesse artigo.
Situação equivalente para a caracterização tecnológica. Existem muitas maneiras de se classificar e de separar as amostras, resta ao profissional responsável conhecer propriedades diferenciadoras e decidir de maneira correta qual a melhor forma de caracterizar o minério em questão para a lavra e a concentração.
4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MARANHÃO, Ricardo Jorge Lôbo - Introdução à pesquisa mineral, 1982
MAIA, Joaquim - Pesquisa Mineral: Abertura de acessos e galerias, 1979
MCKINSTRY, Hugh Exton - Geologia de Minas, 1970
GÁRCIA, Enrique Orche - Manual de Geología y Prospeccíon de yacimientos minerales
Diálogo Mina e Beneficiamento - Publicação destinada às comunidades relacionamento Anglo Ferrous Brasil. ANO 1. Nº 2. ABR/MAI. 2009 (Anglo American)
www.brasilmininsite.com.br
Imagens: Otávio A. - CECON
