Aplicação do princípio Doppler ao gerenciamento de monitoramento geotécnico de emergência
AUTORES
Vitor Almeida Santos, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
Eduardo César Jardim, Vale, Itabira, MG, Brasil
Albert Paulo Sabará, Vale, Mariana, MG, Brasil
Thomaz Franco de Melo Cotta, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
Bruno Penido Vecchia, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
RESUMO
Cenários geotécnicos que abrangem pilhas, minas a céu aberto, encostas e barragens enfrentam riscos significativos. O monitoramento dessas estruturas com ferramentas confiáveis, incluindo soluções tecnológicas avançadas, é essencial para a segurança e estabilidade. As tecnologias de monitoramento reativo, servindo como uma medida de controle crucial, podem mitigar os impactos quando os cenários de risco se materializam. O objetivo principal dos sensores de gerenciamento de emergência é detectar condições críticas em taludes monitorados, acionando sistemas de alarme e fluxos de trabalho predefinidos. Esses fluxos de trabalho incluem a ativação de mecanismos de alerta para alertar as comunidades e áreas operacionais a jusante e, possivelmente, a implementação de restrições de tráfego local (Vale, 2023).
Para implantar sensores reativos de forma eficaz, é imperativo estabelecer um processo de monitoramento robusto com limites de alarme bem definidos que acionem procedimentos de gerenciamento de emergência. A definição de limites de alarme deve levar em conta vários fatores, incluindo parâmetros geotécnicos, mecanismos de falha, áreas de impacto potencial e atividades de manutenção ou construção. Além disso, deve considerar as possibilidades de trânsito nos canais monitorados.
Este artigo elabora o princípio Doppler e sua aplicação no monitoramento geotécnico. Ele descreve as melhores práticas para definir, ajustar, testar e validar um modelo de ativação baseado em sensores Doppler. A aplicação da metodologia em diferentes estruturas geotécnicas construídas por vários métodos é demonstrada. Os alarmes aplicados filtram a direção do movimento, possíveis deslocamentos em áreas críticas, tamanho do alvo e velocidade.
A integração de soluções de monitoramento geotécnico com procedimentos de gerenciamento de emergência oferece uma abordagem proativa para lidar com colapsos. A implementação dessas soluções permite respostas imediatas a emergências, minimiza danos potenciais e mitiga o erro humano ativando protocolos de emergência de forma eficaz (Stacey & Read, 2009).
INTRODUÇÃO
As atividades de mineração têm sido parte integrante da história humana, traçando as primeiras civilizações. No Brasil, a mineração tem sido crucial para a expansão territorial, inicialmente impulsionada pela busca de ouro, prata, cobre, diamantes e esmeraldas. À medida que a tecnologia avançava, os processos de mineração evoluíram para aumentar a produtividade, a segurança e a otimização de recursos. Hustrulid et al. (2001) observaram que fatores macroeconômicos de mercado estimularam uma mudança na perspectiva da indústria de mineração, levando a decisões de inclinação mais acentuadas para maior extração de material, avanços nas tecnologias de máquinas e otimização da relação resíduo/minério. Essas mudanças introduziram novos desafios geotécnicos, levando ao desenvolvimento de soluções geotécnicas inovadoras.
Uma área da engenharia geotécnica que experimentou um crescimento significativo é o monitoramento. As soluções convencionais incluem indicadores de nível de água, extensômetros, marcadores de superfície, radares interferométricos, GNSS, inclinômetros, inclinômetros e radares Doppler. A implementação dessas tecnologias exigiu um controle mais robusto dos indicadores de desempenho (KPIs) e o desenvolvimento de fluxos de comunicação e alocação de responsabilidades durante o Plano de Resposta ao Gatilho (TARP), conforme destacado por Morrison (2022).
O cenário atual do monitoramento geotécnico se concentra no gerenciamento de riscos geotécnicos, classificando-os como críticos ou não críticos para o gerenciamento de segurança e emergência. Uma tecnologia amplamente adotada para gerenciamento de emergências em instalações de mineração e barragens a céu aberto é o radar reativo, que utiliza o princípio Doppler para detectar objetos em movimento dentro de sua área de varredura. Os radares Doppler podem detectar um colapso da estrutura monitorada, garantindo o menor tempo de resposta dentro da estrutura TARP.
Este trabalho apresenta projetos de monitoramento desenvolvidos para instalações de barragens incorporando sistemas de alarme baseados no princípio Doppler. Ele detalha configurações de parâmetros, como direção, velocidade, intensidade de retorno do sinal, sequenciamento de movimento e análise estatística usando histogramas e ferramentas de boxplot. O artigo também discute as melhores práticas para implementar essas tecnologias para aprimorar o monitoramento geotécnico e o gerenciamento de emergências.
DESAFIOS
Cenários geotécnicos que abrangem pilhas, minas a céu aberto, encostas e barragens enfrentam riscos significativos. Essas estruturas são vulneráveis a vários mecanismos de falha, e monitorar sua estabilidade é crucial. No entanto, vários desafios surgem:
Ambientes geotécnicos complexos
A natureza diversificada e dinâmica dos ambientes geotécnicos requer soluções de monitoramento adaptáveis e precisas.
Definição de limite de alarme
Estabelecer processos de monitoramento robustos com limites de alarme bem definidos é essencial, mas desafiador. Esses limites devem levar em conta vários parâmetros geotécnicos, mecanismos de falha e áreas de impacto potencial.
Resposta a emergências
Garantir uma resposta de emergência rápida e eficaz requer a integração de soluções de monitoramento com procedimentos de gerenciamento de emergências. Isso envolve definir, ajustar, testar e validar modelos de ativação para sensores reativos.
Gerenciamento de dados
Gerenciar e analisar com eficiência grandes quantidades de dados coletados de sistemas de monitoramento é crucial para a tomada de decisões e ações oportunas.
SOLUÇÃO
A aplicação do princípio Doppler no monitoramento geotécnico para enfrentar esses desafios oferece uma solução confiável e avançada. Esta abordagem envolve:
O princípio Doppler e sua aplicação
O efeito Doppler, descrito pela primeira vez pelo físico austríaco Christian Andreas Doppler, envolve a aparente mudança na frequência de uma onda emitida por uma fonte percebida por um observador. Essa mudança varia com o movimento relativo entre a fonte e o observador. No monitoramento geotécnico, ondas eletromagnéticas pulsadas são emitidas em direção a um objeto de interesse. O princípio Doppler explica a variação na frequência da onda após a reflexão causada pelo movimento do objeto dentro da linha de visão. Usando esse princípio, os objetos podem ser detectados, seus níveis de intensidade avaliados, as velocidades medidas e as direções de movimento determinadas.
A equação geral para o efeito Doppler é expressa como: f′=f×(Vs±Vo)(Vs±Vt)
Equation 1. Doppler’s effect general equation. Uma proposta para o ensino qualitativo e quantitativo do efeito doppler usando smartphones. do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – CE. 2021.
Embora as equações detalhadas para cada cenário de deslocamento dos alvos estejam além do escopo deste artigo, elas podem ser referenciadas no estudo conduzido por Almeida et al. (2021) no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – Brasil. A Figura 1 ilustra um esquema simplificado da aplicação do efeito Doppler no monitoramento geotécnico, onde o dispositivo Doppler permanece estático e o comprimento de onda (λn) refletido pelo objeto de interesse exibe valores variados à medida que o objeto sofre deslocamento.
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Figure 1. Simplified Doppler Effect Diagram. Uma proposta para o ensino qualitativo e quantitativo do efeito doppler usando smartphones. do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – CE. 2021.
A mudança na frequência da onda pode ser usada para determinar a posição e a velocidade do alvo com base no tempo em que a onda viaja pela atmosfera. Isso permite a detecção de objetos, avaliação de seus níveis de intensidade, medição de velocidade e determinação de direções de movimento.
O Radar de Risco Geológico Reativo (RGR) Velox, comercializado pela GroundProbe, foi empregado para a coleta de dados neste estudo. O RGR-Velox é um sistema de radar Doppler projetado especificamente para monitoramento geotécnico. Os seguintes dados, coletados usando os princípios do RADAR Doppler, estão resumidos na Tabela 1:
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Tabela 1. Saída da detecção de alvos por RGR-Velox. Fonte: GroundProbe.
Metodologia para Detecção e Parametrização de Alarmes
O RGR-Velox, comercializado pela GroundProbe, foi empregado para a coleta de dados. O RGR-Velox é um sistema de radar reativo 2D projetado para gerenciamento de emergência para detectar alvos em movimento dentro de sua linha de visão. Possui recursos integrados de GPS e localização do Norte e um rastreador automático de alvos para configurar alarmes com base nas características específicas de cada estrutura geotécnica sob vigilância. Os alarmes no RGR-Velox podem ser configurados com até quatro gatilhos de confirmação: velocidade, intensidade de retorno do sinal, sequenciamento de movimento (zona) e direção de deslocamento. A definição precisa desses gatilhos é essencial para otimizar a eficácia da ferramenta (GroundProbe, 2023).
Integração com procedimentos de gerenciamento de emergência
No Brasil, as regulamentações nacionais determinam a instalação de sistemas automatizados de acionamento de sirenes e outros mecanismos apropriados para alertar as populações a jusante sobre anomalias em barragens de mineração com dano potencial associado (DPA) médio ou alto (Brasil, 2022). A ativação do alarme no sistema RGR-Velox pode acionar a ativação automática das sirenes, exclusivamente ou em conjunto com outras tecnologias. A definição de um modelo de detecção de alarmes associados ao acionamento automático da sirene pode reduzir o tempo de resposta do centro de monitoramento geotécnico a emergências, alertar o operador para ocorrências fora de seu conhecimento imediato e aumentar os níveis de segurança e controle na área de risco.
RESULTADOS
Dois estudos de caso foram conduzidos para demonstrar a aplicação da metodologia de calibração na definição de parâmetros para disparo de alarmes automáticos usando o RGR-Velox.
Estudo de caso 1 – Demonstração de detecção de drones
Um drone específico foi empregado como um alvo dinâmico dentro da área da instalação de armazenamento de rejeitos (TFS) para calibrar o posicionamento dos alvos detectados pelo RGR-Velox. O movimento do drone simulou um colapso real sobre o TSF e suas encostas, atravessando seis zonas de intrusão. O plano de voo implementado durou aproximadamente 50 segundos, com a velocidade do drone indicada em 94% das detecções, variando entre 13,5 e 16,5 m/s. Os alarmes configurados foram ativados conforme o esperado, com base na detecção de alvos em suas respectivas zonas.
Estudo de Caso 2 – Calibração de Velocidade e Geoposicionamento Utilizando Veículo Automotor e GPS
Um veículo motorizado com um dispositivo GPS e um objeto metálico calibrou o sistema RGR-Velox. O veículo foi conduzido ao longo das bermas da instalação de armazenamento de rejeitos, percorrendo aproximadamente 300 metros em velocidades que variam de 0 a 20 km/h em duas tentativas separadas. Os dados de intensidade de retorno do sinal do RGR-Velox durante ambas as tentativas foram comparados para análise. O estudo de caso produziu resultados satisfatórios, com dados consistentes de intensidade de retorno de sinal observados durante ambas as tentativas ao longo do caminho conduzido e velocidades detectadas variando entre 5 e 9 m/s por ambas as ferramentas de medição.
CONCLUSÃO
Este artigo demonstrou a aplicação de tecnologias de monitoramento reativo, especificamente o princípio Doppler, para gerenciamento de emergências em cenários geotécnicos críticos. Estabelecer um processo de monitoramento maduro e definir limites de alarme apropriados são vitais para a eficácia dessas soluções. Ao incorporar informações detalhadas sobre as estruturas monitoradas, parâmetros geotécnicos, mecanismos de falha e áreas potencialmente afetadas e integrar-se aos procedimentos de gerenciamento de emergência, as soluções de monitoramento geotécnico reativo tornam-se uma abordagem de tomada de iniciativa para lidar com situações de colapso iminente.
A capacidade de detectar, alertar e ativar procedimentos de emergência com base nas informações do sensor usando o princípio Doppler permite uma resposta rápida a emergências. Isso minimiza os danos potenciais e reduz o risco de erro humano no acionamento de fluxos de emergência. A integração efetiva dessas tecnologias fornece uma camada adicional de segurança em áreas críticas, incluindo mineração e outras indústrias, particularmente em minas e barragens a céu aberto.
À medida que as práticas de monitoramento e as estratégias associadas de gerenciamento de riscos e emergências melhoram, o ambiente está mais bem preparado para enfrentar possíveis desafios geotécnicos, protegendo vidas, propriedades e comunidades. Essa abordagem proativa garante maior preparação e segurança, reforçando a importância de tecnologias avançadas de monitoramento no gerenciamento de riscos geotécnicos.
Referências
Almeida, S. B. B., Pimentel, P. A., & Neves, W. Q. (2021). Uma proposta para o ensino qualitativo e quantitativo do efeito Doppler usando smartphones. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará.
Brasil. (2022). Resolução Agência Nacional de Mineração (ANM) Nº 95, de 07 de fevereiro de 2022.
GroundProbe. (2023). Acessado em 23 de outubro de 2023, de https://www.groundprobe.com/
Hustrulid, W. A., McCarter, M. K., & Van Zyl, D. J. A. (2001). Slope stability in surface mining.
Magalhães, G. G. de. (2023). 8 lições na construção do monitoramento geotécnico orientado a dados. Acessado em 23 de outubro de 2023.
Morrison, K. F. (2022). Tailings management handbook: A life-cycle approach.
Peixoto, G. G. (2006). Assinaturas de sinais de radar de alvos simples e de modelos de alvos complexos: Um estudo na banda X em câmara anecóica (Tese de mestrado). Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
Stacey, P., & Read, J. (2009). Guidelines for open pit slope design. CRC Press.
Tecnologia contrafurtiva. (2017, April 4). Tecnologia contrafurtiva. Acessado em 22 de outubro de 2023, de https://tecnomilitar.com/2017/04/04/tecnologia-contrafurtiva/
Vale. (2023). Plano de ação de emergência para barragens de mineração (PAEBM).
– FIM –