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drenagem a ceu aberto em mina de areia
Tipologia: Teses (TCC)
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Compartilhado em 29/08/2019
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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Unidade Curricular TCC II (ICT 318) do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de Alfenas, campus Poços de Caldas. Área de concentração: Lavra de Minas Orientador: Prof. Michiel Wichers Schrage
Ao orientador do trabalho, Prof. Michiel Wichers Schrage, pelo empenho demonstrado em auxiliar no desenvolvimento do presente trabalho de conclusão de curso.
Ao aluno de graduação Thiago Henrique Dainezi por possibilitar o contato com a empresa de extração de areia em que foi aplicada a metodologia.
Ao Prof. Paulo Henrique B. J. Menezes pelo auxílio na resolução de problemas referentes aos mecanismos de geoprocessamento.
Ao Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de Alfenas, campus Poços de Caldas, pela estrutura e oportunidade oferecidas.
In many mining projects the influence of water in the operating and mine development is manage arbitrarily, resulting in the economic and operational impracticability of activity. Understand and predict the influence’s mechanisms of water are crucial to minimize the negative impacts on both mine and the environment. In this project the hydrological modeling and characterization of the target area were accomplished, and also the design of a drainage system that can be applied to sand’s extraction enterprise in the region of São João da Boa Vista-SP. To achieve the hydrological model were necessary to analyze and process a database in GIS (Geographic Information System). Runoff channels and settling basins were sized using parameters such as peak flow generated by rational method and suspended solids’ rate of sedimentation in the mine’s water. In addition, the settleability tests and measuring quality parameters were performed in this water for material characterization and comparison with the quality limits stipulated by legislation. The peak flow calculated using the rational method was 1.54 m³ / s and the rectangular runoff channel sized is 1.0 m wide and 81 cm deep. The size and residence time calculated for the settling basin showed very high values caused by the solids’ low sedimentation rate (0.00225 cm / s). This result demonstrated that simple gravity sedimentation is not feasible and the use of coagulants or flocculants is necessary in this situation. The clarified water turbidity measured after sedimentation showed a value below the limit stipulated by law, while the rate of sedimented material is far above the limit, which confirms the need to build the settling basin in this mine.
Key words: Mine drainage. Hydrologic modeling. Rational method.
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Em muitos empreendimentos mineiros a influência das águas na dinâmica de operação e desenvolvimento da mina é tratada de forma arbitrária, podendo resultar na inviabilização econômica e operacional da atividade. Entender esse mecanismo de influência das águas no desenvolvimento de uma mina é de fundamental importância, pois assim se torna possível a criação de um projeto de dimensionamento coerente e eficiente de captação e tratamento dessas águas com o intuito de se minimizar os efeitos prejudiciais causados as operações executadas na mina.
Em uma mina a céu aberto pode haver a incidência tanto de águas superficiais (chuvas, inundações e cheias de rio) como das águas subterrâneas, já que o lençol freático pode ser alcançado com o aprofundamento da cava. Uma drenagem realizada de forma inadequada pode prejudicar a estabilidade dos taludes das bancadas, a manutenção de vias e consequente locomoção dos equipamentos de escavação, carregamento e transporte, além de ser prejudicial a operações realizadas com explosivos para desmonte da rocha. Outro fator importante a se considerar é em relação à água que flui através da mina e retorna a drenagem natural, pois esta deve ser tratada de modo a garantir padrões de qualidade mínimos regulamentados por órgãos ambientais.
Este projeto foi idealizado visando à elaboração de uma metodologia para o dimensionamento de um sistema de drenagem eficiente em cava a céu aberto, pois foram observadas em muitas minas e pedreiras, principalmente de médio e pequeno porte, um certo descaso com a gestão das águas, o que acarreta vários transtornos às empresas com este tipo de problema. Muitos engenheiros de minas não se atentam a esta problemática, deixando-a assim em segundo plano. Porém o histórico demonstra que a questão das águas em uma mina é de crucial importância para o desenvolvimento e manutenção de um empreendimento mineiro.
2. OBJETIVO GERAL
O presente trabalho de conclusão de curso possui como objetivo principal dimensionar um sistema de drenagem que possa ser aplicado em um empreendimento de extração de areia localizado na região de São João da boa Vista-SP, com o intuito de diminuir os impactos negativos causados pelo fluxo de água superficial no interior da mina e devolver a água
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coletada pelo sistema à drenagem natural da região, respeitando os parâmetros de qualidade ambiental vigentes.
2.1 Objetivos Específicos
Gerar modelo hidrológico da área de estudo para identificar a bacia de contribuição em que está localizada a empresa, caracterizando os parâmetros geomorfológicos e hidrológicos necessários; Calcular a vazão máxima de escoamento superficial, através do método racional, que pode ocorrer na área de influência da mina; Dimensionar canais no interior da mina que direcionarão as águas escoadas superficialmente para as bacias de decantação; Projetar bacias de decantação necessárias para o recebimento do fluxo de água, com o intuito de devolver estas águas à drenagem natural, respeitando as normas ambientais vigentes; Verificar a necessidade ou não da utilização de reagentes para o processo de decantação nas bacias.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Aspectos Sobre Sistemas de Drenagem em Pedreiras a Céu Aberto
Os sistemas de drenagem em uma mina a céu aberto possuem basicamente três objetivos principais: Interceptar a entrada de água, reduzir danos na estrutura interna e remover a água do interior da cava (BASTOS, 2000).
Sistemas de isolamento e escoamento: Usualmente para impedir o fluxo de água para dentro da cava, são construídas valas e diques ao seu redor. Esse fluxo então é direcionado para o fundo da cava ( bottom pit ) através de canaletas construídas nos pés das bancadas ou por tubulações. Nesta etapa é fundamental evitar que a água escoe pela crista da bancada, evitando assim processo de erosão excessiva, além de conservar suas características geotécnicas. Na Figura 1 estão representadas de forma simplificada essas estruturas (BASTOS, 2000):
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3.2 Bacias de Decantação
O sistema de drenagem utilizado na mina deve também vir acompanhado de um projeto de gestão dessas águas, de forma a contemplar as próprias necessidades internas da mina de utilização da água e as normas ambientais. Para garantir o controle da qualidade das águas que retornam ao meio ambiente é necessária a implantação de bacias de decantação ou sedimentação, ou seja, reservatórios onde são armazenadas as águas coletadas pelo sistema de drenagem para que as partículas em suspensão sejam sedimentadas para o fundo do tanque após um determinado tempo. A Figura 3 demonstra de forma simplificada a disposição das bacias de decantação (BASTOS, 2000):
Figura 3 - Exemplos de bacias de decantação para redução da turbidez dos efluentes. Fonte: BASTOS (2000, p. 3) Para o dimensionamento das bacias de decantação é necessário realizar uma caracterização do material particulado contido na água. Partículas mais grossas podem ser sedimentadas apenas através da gravidade, enquanto que partículas muito finas devem sofrer processo de coagulação ou floculação com a utilização de reagentes químicos para que possam sedimentar (PAIVA, 2004).
O tempo de suspensão de uma partícula depende do seu tamanho e peso específico. A Tabela 1 mostra tempos relativos de sedimentação para esferas de tamanhos diferentes:
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Tabela 1: Velocidade de sedimentação de partículas.
Diâmetro das partículas,mm
Ordem de tamanho Tempo necessário para sedimentação 10 Cascalho 0,3 segundos 1 Areia grossa 3 segundos 0,1 Areia fina 38 segundos 0,01 Limo 33 minutos 0,001 Bactérias 55 horas 0,0001 Partículas coloidais 230 dias 0,00001 Partículas coloidais 6 anos, 4 meses 0,000001 Partículas coloidais Mínimo de 63 ano Fonte: PAIVA (2004, p. 46)
Pela Tabela 1 percebe-se que é impraticável sedimentar partículas coloidais de água sem o uso de reagentes químicos. (PAIVA, 2004)
Os coagulantes são substâncias químicas que diminuem a repulsão eletrostática entre partículas resultando na formação de coágulos. É uma ferramenta muito utilizada para redução da turbidez da água. A seguir são apresentados os coagulantes mais utilizados: (PAIVA, 2004)
a) sulfato de alumínio - Al 2 (SO 4 ) 3 x n H 2 O em que n = 14,3 ou 18 b) sulfato férrico - Fe 2 (SO 4 ) 3 x 9 H 2 O c) sulfato ferroso clorado - FeCl 3 x Fe 2 (SO 4 ) 3 d) cloreto férrico - FeCl 3 x 6 H 2 O e) hidroxi-cloreto de alumínio - Alx(H 2 O)(6x-2y) (OH)y Cl(3x-y) Para um processo mais eficiente podem ser utilizadas substâncias que auxiliam na coagulação. Essas substâncias são alcalinas, principalmente CaO, Na 2 CO 3 e NaOH. Devem ser empregados quando o pH da água está muito baixo, para que então se alcance o pH ideal que resulte no efeito de coagulação. Em alguns casos podem-se utilizar ácidos para o ajuste do pH. (PAIVA, 2004)
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Figura 5 – Exemplo de ensaio para cálculo da velocidade de sedimentação. Fonte: FRANCO (2004, p. 13) Como observado na Figura 5, a velocidade de decantação, ou seja, a inclinação da linha, é constante no começo do processo. A velocidade (Vi) é obtida através da projeção de uma tangente à curva em um dado tempo (t). Deste modo a velocidade é medida quando as faces B e C desaparecem, no instante t: -dz/dt = VL. Neste ponto a altura é (ZL) e (Zi) é o ponto em que a linha tangente a curva intercepta o eixo y. Após realização do ensaio a velocidade de sedimentação (VL) é calculada através da equação (1) (PORTO, 2004):
VL = (1)
A área superficial da caixa de decantação é dimensionada em função da velocidade de sedimentação e vazão de projeto de acordo com a equação (2) (PORTO, 2004):
= (2)
Em que:
VL: Velocidade de sedimentação (cm/s);
Q: Vazão de projeto (m³/s);
Área superficial da bacia de decantação (m²) Usualmente se utiliza uma relação L/B igual a 4, sendo L o comprimento da caixa e B a largura. Comprimentos de pequenas dimensões em relação à largura dificultam a boa
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distribuição da água. Já comprimentos de grandes dimensões podem impactar de forma negativa na sedimentação, pois esta situação gera velocidades excessivas. Em relação à profundidade dos decantadores são comumente utilizadas medidas entre 3,00 e 5,00 m. O tempo de residência (Td) da suspensão de particulados na bacia é estimado em função da vazão de projeto e do volume da bacia com a utilização da equação (3) (PORTO, 2004):
Td = (3)
Em que:
Td: Tempo de residência (horas);
Vol: Volume da caixa de decantação (m³);
Q: Vazão de projeto (m³/s).
A distribuição da água na entrada do decantador é fundamental para que haja um eficaz processo de sedimentação. É necessário que a distribuição de fluxo de água seja o mais uniforme possível, tanto na vertical como na horizontal. Para isso deve-se construir um dispositivo (acumulador) na entrada dos decantadores para possibilitar o controle da vazão. O acumulador é confeccionado com considerável número de orifícios distribuídos e espaçados de forma conveniente, em que a velocidade da água deve estar no intervalo entre 0,15 e 0, m/s. A primeira fileira de orifícios deve estar localizada a 1,00 m abaixo da superfície da água (FRANCO, 2004).
Os dispositivos de saída da água das bacias de decantação são chamados de vertedores. Estes dispositivos são responsáveis por controlar e regular a vazão de saída. Os vertedores são constituídos pelos elementos representados na Figura 6: (PORTO, 2004)
Figura 6 – Vertedor de soleira espessa. Fonte: PORTO (2004, p. 208)
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um sistema digital que utiliza uma base de dados georreferenciada com o objetivo de empregar operações lógicas e aritméticas para o tratamento da informação geográfica. O SIG possibilita a captura, manipulação, transformação, visualização, combinação, análise e modelagem de dados geográficos, além de permitir a elaboração de produtos na forma de mapas. Os dados geográficos trabalhados podem estar tanto na forma vetorial (pontos, linhas e polígonos) como matricial (Pixels) (BREWER, 2005). Uma das principais aplicações do SIG é a geração dos Modelos Digitais de Terreno (MDT). O MDT é a representação matemática da distribuição contínua do relevo em uma determinada área processada, sendo assim uma importante ferramenta para representar as características físicas de uma superfície. Quando se trata da variação da altitude o MDT é chamado comumente de MDE (Modelo Digital de Elevação) (BREWER, 2005). Os algoritmos utilizados para geração de MDT’s devem disponibilizar solução numérica computacionalmente rápida e de forma eficiente e precisa para atender às funções do SIG. O algoritmo mais utilizado para elaborar um MDT hidrologicamente consistente em relação à topografia é o de grade regular (Topogrid) (BREWER, 2005). As grades regulares são representações em forma de matrizes da qual se realiza a combinação de cada pixel da matriz a um valor numérico de altitude a ser modelado. Nesse processo ocorre a interpolação de valores amostrados para estimar os não identificados (BREWER, 2005).
3.6 Modelo Hidrológico
Um modelo hidrológico pode ser definido como a representação matemática do fluxo de água sobre alguma parte da superfície, como por exemplo, a descrição da distribuição espacial do ciclo hidrológico em uma bacia hidrográfica (BREWER, 2005).
Quando se trata de bacias hidrográficas, suas características físicas são fundamentais para a avaliação de seu comportamento, já que através das relações de dados hidrológicos conhecidos e amostrados é possível a determinação indireta de dados hidrológicos desconhecidos. As principais características físicas de uma bacia hidrográfica são as seguintes: Área de drenagem, perímetro, comprimento do curso d’água principal, declividade média da bacia, ordem dos cursos de água, elevação média da bacia, curva hipsométrica, densidade de drenagem, densidade hidrográfica, índice de forma, coeficiente de compacidade, declividade equivalente constante e declividade de equivalência entre áreas. Na figura 7 estão
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representados os principais elementos de uma bacia hidrográfica (DA SILVA; DE CARVALHO, 2006):
Figura 7 – Principais elementos constituintes de uma bacia hidrográfica. Fonte: DA SILVA; DE CARVALHO (2006, p. 22)
Um dos principais fatores de influência na magnitude e direção de transporte de materiais em uma bacia hidrográfica é a topografia, ou seja, para a realização da modelagem da distribuição espacial da água é necessário a obtenção de dados que dependem da topografia da bacia como: Inclinação do relevo, definição do limite da bacia, características dos canais de drenagem, definição da área de contribuição e definição de zonas com acumulação de fluxo. Estes e outros parâmetros podem ser estimados através da elaboração de um modelo digital de terreno (MDT) (BREWER, 2005).
3.7 Quantificação do Escoamento Superficial (Método Racional)
O método racional é um método aplicado às bacias hidrográficas de porte reduzido, podendo ser utilizado em áreas com até 500 ha (hectares), sendo assim a vazão máxima é obtida através da equação (4) (DA SILVA; DE CARVALHO, 2006):
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