SEMINÁRIO DA REDE DE P&D&I

EM CARVÃO MINERAL

Projeto: Modelagem de Coberturas Secas em Rejeitos de Carvão

Grupo 25

Anderson Borghetti Soares

Vicente Paulo de Souza

Mario Valente Possa

Paulo Sérgio Moreira Soares

Porto Alegre ‐ RS, g ,

13 a 15 de abril de 2010.

linhas de trabalho:

1. Modelagem geotécnica de coberturas secas

2. Ensaios de laboratório 

1 Modelagem numérica

O b je t ivo s

Proposta de cobertura para aplicação em rejeitos (sem arealização de experimentos‐ bidimensional);realização de experimentos bidimensional);

Modelagem numérica (geotécnica) para avaliação do balançog (g ) p ç çhídrico de coberturas secas em sistemas do tipo rejeito ‐ cobertura;

Avaliar o uso de materiais da região carbonífera do estado deSanta Catarina como material de cobertura; e

Obter resultados que auxiliem no desenvolvimento de soluções deengenharia que conduzam à redução dos impactos ambientais

d lcausados pela DAM na região.

1 Modelagem numérica

Metodologia

Etapa 1 ‐ Seleção, amostragem e caracterização tecnológica dos materiais de cobertura

Etapa 2 ‐Modelagem numérica dos sistemas de cobertura

Etapa 3 – avaliações e interpretações

1 Modelagem numérica

Cobertura/rejeitos coletados em uma área de mineração e

Materiais estudados

empregados na Unidade Piloto CETEM / CCSA (em operação:Forquilhinha – SC)Características das instalações da CCSA (Forquilhinha):

Produção anual de rejeitos (CCSA) ‐ 2,8 x 106 t/anoBeneficiamento ‐ rejeitos grosso (D<1”) e fino (D<1mm)

BACIAS DE DECANTAÇÃO: REJEITOS FINOS

DEPÓSITO DE REJEITOSGROSSOS

UNIDADE PILOTO

A Unidade Piloto (UP)1 Modelagem numérica

� Projeto FINEP 0984/02 (convênio nº01.02.0167.00 ‐ CCSA e CETEM)

A Unidade Piloto (UP)

Aterro (células ), Laboratório , Estação meteorológica

Borghetti Soares et al., 2007, 2009, 2010; Souza et al., 2009, 2008; Soares et al., 2007

Modelos da UP1 Modelagem numérica

Modelos da UP

Balanço Hídrico (BH)

Precipitações ‐ pluviometria                      Umidade nas camadas ‐ sensores

P l ã /E fi i l l E ã t ã t ló iPercolação/Esc. superficial ‐ volumes     Evaporação: estação meteorológica

A t t i ã t ló i 1 Modelagem numérica

Am os tra gem  e  c a ra c te riz a ç ão  te c no lóg ic a  

Amostragem

Coleta de material disponível na região (“argila vermelha”)

Amostragem

Ensaios laboratório Caracterização geotécnica

Condutividade hidráulica saturadaCondutividade hidráulica saturada

Compactação

Difração de raios X (mineralógica)Difração de raios X (mineralógica) 

Curva característica

Parâmetros Alimentar software de balanço hídrico

(VADOSE)

Caracterização tecnológica1 Modelagem numérica

Caracterização tecnológicaCaracterização geotécnica Curva de compactação

Argila Vermelha

Condutividade hidráulica (permeabilidade) saturada

Parâmetros geotécnicos/climáticos1 Modelagem numérica

P a râm e tro s  ge o té c n ic o s /c l im á tic o s

Ensaios de campo: curva característica, velocidade de infiltração,densidade aparente seca

Parâmetros geotécnicos in situ mais confiáveis estrutura “real”(macroporos, canais ‐ insetos)

Grumos Canais

Condições climáticas: precipitações/evaporação (Estação Meteor.)

Parâmetros geotécnicos/climáticos1 Modelagem numérica

P a râm e tro s  ge o té c n ic o s /c l im á tic o s

Densidade ap. seca (frasco de areia)

Amostra Densidade (g/cm³)

Rejeito grosso 1,35

Rejeito grosso (duplicata) 1,35

Densidades dos materiaisSolo vegetal - célula 3 1,29

Solo vegetal - célula 3 (duplicata)

1,35

Solo vegetal - célula 4 1 27Solo vegetal - célula 4 1,27

Solo vegetal - célula 4 (duplicata)

1,48

1 Modelagem numérica

P a râm e tro s  ge o té c n ic o s /c l im á tic o s

VI (Infiltrômetro de anel duplo)( f p )

VI x tempoVI x tempo

Parâmetros geotécnicos/climáticos1 Modelagem numérica

Parâmetros geotécnicos/climáticos

Evaporação potencial (Tanque p ç p ( qClasse A)

D d

Máxima Mínima RH RH Vento

Data Temperatura Temperatura Máximo MínimoVelocidad

e Chuva01/01/2008 1 24 57 23 91 92 42 67 60 0 0Dados 01/01/2008 1 24,57 23,91 92,42 67,60 0 002/01/2008 2 25,66 24,96 91,15 65,02 0,82 0,803/01/2008 3 25,78 24,96 87,02 56,96 1,37 504/01/2008 4 24,01 24,87 87,24 57,10 1,31 505/01/2008 5 24,66 24,21 92,98 75,94 1,45 1,406/01/2008 6 21,09 20,80 100,00 90,50 0,93 28,407/01/2008 7 22,60 21,94 86,10 58,75 0,49 007/01/2008 7 22,60 21,94 86,10 58,75 0,49 008/01/2008 8 24,60 23,89 80,19 48,02 0,99 009/01/2008 9 24,73 24,02 76,35 46,58 2,14 010/01/2008 10 26,85 26,03 78,36 45,21 0,73 311/01/2008 11 24,08 23,19 92,40 59,52 0,34 1,412/01/2008 12 22,49 22,07 88,46 64,35 0,85 22,613/01/2008 13 22,76 22,31 81,69 45,58 0,23 0, , , , ,14/01/2008 14 24,41 23,86 91,31 56,50 0,41 0,2

1 Modelagem numérica

Mode la gem  ge o té c n ic a

Modelagem numérica BH: coberturas da UP (resultados experimentais x

g g

Modelagem numérica BH: coberturas da UP (resultados experimentais xnuméricos)

Modelagens numéricas unidimensional (BH)Modelagens numéricas unidimensional (BH)

Modelagens numéricas bidimensional do fluxo de águag f g

Modelagem geotécnica/UP1 Modelagem numérica

Mode la gem  ge o té c n ic a /U PPor que modelar? Simulação matemática do mecanismo de fluxo de

água (equação não linear) ‐ balanço hídrico

Vantagens modelo numérico: Resultados rápidos, sem limitaçõest ti lt d õ i d d d di õ dconstrutivas, resultados por seções, variedade de casos, condições de

contorno etc (Obs.: modelo experimental

resultados lidos “NÃO TEM PREÇO...”)Ç

Passo inicial: aprendizado do modelo ‐ Vadose(Geoslope)

Aprendizado: Modelagem BH célula 1 (s/ cobertura) x célula 4(barreira capilar dupla)

Modelo numérico: Definição de malhas, condições de contorno,intervalo de tempo, parâmetros de entradap , p

Modelagem geotécnica da UP1 Modelagem numérica

Mode la gem  ge o té c n ic a  da  U P

Precipitações UP (Jan 2008)

Modelagem numérica - balanço hídricoPeríodo: Janeiro 2008

10

Modelagem numérica - balanço hídrico barreira capilar dupla Período: Janeiro 2008

Argila

Solo orgânico

Condição de contorno climática10

3 4567 8910

Período: Janeiro 2008

impermeávelimpermeável

Condição de contorno climática

Ele

vaçã

o (m

)

6

7

8

9

Rejeito misturado

Cinzas

ç

impermeável

impermeávelEle

vaçã

o (m

)

6

7

8

9

1 2Drenagem

Distância (m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

5Rejeito grossodrenagem

Distância (m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

5

6

Rejeito s/ cobertura Rejeito c/ barreira capilar duplaRejeito s/ cobertura Rejeito c/ barreira capilar dupla

Modelagem geotécnica da UP1 Modelagem numérica

Modelagem geotécnica da UP(a) (b)

Perfis sucção x t x z (a) s/cobert (b) barreira capilar duplaPerfis sucção x t x z: (a) s/cobert. (b) barreira capilar dupla

(a) (b)

Balanço hídrico: (a) s/cobert. (b) barreira capilar dupla

M d l té i d UP1 Modelagem numérica

Modelagem geotécnica da UP(a) (b)

Perfis umidade x t x z: (a) s/cobert. (b) barreira capilar dupla

Saturação argila (>85%)

R lt d i t i t i1 Modelagem numérica

R e s u ltado s  p re v is to s  x  e x pe rim e n ta isResultados balanço hídrico campo x modelagem

Parcelas Pc – precipitação Es – “runoff “

.......(1)Evt)......(E∆wPP sec ++=−

p p ç ff

Evt ‐ evapotranspiração Δw ‐ água armazenada

Pe ‐ percolaçãop ç

(Litros)Célula 1 Célula 2 Célula 3 Célula 4

1.Total percolado  97337,76 27635,74 611,99 13132,02

2. Total Precipitado 294085,32 254194,30 337288,88 556472,88

3. Escoamento superficial 62174,89 61908,86 80791,09 83000,23

4. Evaporação 126133,13

152673,1 231202,75 418402,98

5. Retido  8439,53 11976,63 24683,05 41937,66

balanço hídrico (dados experimentais): 14/10/07 a 22/05/2009

1 Modelagem numérica

Mode la ge n s  un i  e  b id im e ns iona l

Modelagens unidimensionais (argila empresa x argila vermelha)

Barreira capilar dupla

Barreira capilar sem cinzas ‐ camada inferior

Argila assentada sobre rejeito misturado (40 cm)

Modelagens bidimensionais

Seção real depósito de rejeito (3) coberturas selecionadas

C l d li i i ã2 Ensaios de laboratório

� Estudar a cinética da oxidação do rejeito do beneficiamento do

Colunas de lixiviação

carvão, considerando 2 modelos em colunas de lixiviação

(1) sem cobertura;

(2) b t il(2) cobertura com argilas

Coletar regularmente dados de sucção umidade e temperaturaColetar regularmente dados de sucção, umidade e temperaturanas camadas (aquisição automática)

Coletar amostras de efluente e analisar as espécies químicasdissolvidas e dados fisico‐químicos

P j t l2 Ensaios de laboratório

Projeto colunas

C l d li i i ã2 Ensaios de laboratório

C o luna s  de   l ix iv ia ç ão

2 Ensaios de laboratório

Instrumentação utilizada

Sensores e data logger

2 Ensaios de laboratório

T raba lho s  re a liz ado s

Projeto e confecção das colunas de lixiviaçãoProjeto e confecção das colunas de lixiviação

Amostragem e caracterização de materiais (rejeito/cobertura)

Saturação/calibração sensoresç / ç

Preparação das amostras (solo/rejeito) para disposição nascolunas

Colocação dos materiais nas colunas

Colocação dos sensores e teste iniciais da instrumentação

Ensaios de laboratório

Análises de dados

ConclusõesConclusões

As modelagens numéricas (unidimensionais e bidimensionais) servirãoAs modelagens numéricas (unidimensionais e bidimensionais) servirãopara avaliar o BH de coberturas secas em sistemas rejeito‐cobertura daregião de estudo.

Novos materiais foram coletados e caracterizados (argila vermelha)

Os resultados das simulações do balanço hídrico das coberturasprojetadas na UP estão sendo comparados com os dados experimentais

Os resultados do projeto servirão de base para execução de projetos deengenharia futuros (coberturas de rejeitos de carvão da região)

A determinação da taxa de oxidação do rejeito no local de estudo seráobtida com auxílio do experimento de colunas de lixiviação

Recursos utilizados (Rede Carvão) Recursos utilizados (Rede Carvão)

Tensiômetros (12)

Sensores de umidade (7)

Sensores de temperatura (7)

Data loggerData logger

Medidor manual TDR (1)

Medidor manual tensiômetro (1)

Laptop (1)

d ( l lh )Ensaios de caracterização (argila vermelha)

AgradecimentosgCarbonífera Criciúma S.A.

d ãRede Carvão

Obrigado!Obrigado!Anderson Borghetti Soares (CETEM) e-mail: aborghetti@cetem.gov.brg ( )

Vicente Paulo de Souza (CETEM) e-mail: vpsouza@cetem.gov.br

Mario Valente Possa (CETEM) e-mail: mpossa@cetem.gov.br

Paulo Sérgio Moreira Soares (CETEM) e mail: psoares@cetem gov brPaulo Sérgio Moreira Soares (CETEM) e-mail: psoares@cetem.gov.br

Marcus Vinícius Silva (CETEM) e-mail: mvsilva@cetem.gov.br