Liderança de Ideia: Falhas em Minas a céu Aberto e Incerteza na Predição de Rupturas

Especialista em Vendas Geotécnicas do Grupo GroundProbe, Albert Cabrejo

Com a introdução do radar de monitoramento da estabilidade de taludes (SSR) pela GroundProbe em 2001, a indústria mineradora conquistou a capacidade de reunir dados de monitoramento das rupturas em tempo real. Faz quase uma década que o método da velocidade inversa (VI), desenvolvido por Fukuzono, tem sido usado na indústria mineradora em conjunto com os radares de monitoramento da estabilidade de taludes para a predição de rupturas. Contudo, o método de Fukuzono tem suas limitações quanto à predição bem-sucedida de rupturas devido às características variáveis das falhas em maciços rochosos.

Predição do Momento de Ruptura de um Talude Usando o Método de Fukuzono

Em 1985, Fukuzono apresentou seu método de predição de rupturas e traçou diferentes estruturas de velocidade inversa em relação ao tempo: convexa, linear e côncava. Aplicando-se a uma mina, a intersecção com o eixo horizontal do tempo determina o momento da ruptura do talude, e todas as operações e atividades devem ser conduzidas com base nessa data e horário (ver Figura 1).

Figura 1: Diferentes Gráficos de Velocidade Inversa Versus Tempo

O Efeito do Espaço de Tempo Sobre o Cálculo da Velocidade

A aplicação do método de Fukuzono é simples, mas pode levar a diferentes resultados de velocidade dependendo da amplitude do espaço de tempo utilizado. Em um movimento de deformação em desaceleração (convexo), quanto maior o espaço de tempo, maior a velocidade, e quanto menor o espaço de tempo, menor a velocidade. No movimento de deformação linear, por sua vez, a amplitude do espaço de tempo não acarreta nenhuma alteração sobre o resultado. Em um movimento de deformação em aceleração (côncavo), quanto maior o espaço de tempo, menor a velocidade, e quanto menor o espaço de tempo, maior a velocidade.

Depois de um impacto, por exemplo, uma cunha instável poderia sofrer alguma deformação regressiva inicial e, após certo nível de tensão, romper sem qualquer restrição à sua frente. Esse tipo de falha, quando em um curto espaço de tempo como uma hora, tende a exibir tendências lineares. Contudo, quando esse tipo de falha acontece no decorrer de um espaço de tempo maior, como 24 horas, a aceleração aumenta com o tempo e surge uma tendência de curvatura para baixo (côncava).

Quando não há mudança na aceleração dentro de diferentes espaços de tempo, o comportamento linear faz-se presente novamente. Quando uma massa rochosa se deforma e sofre alteração de sua geometria à medida que desliza, a extremidade inferior do material pode se tornar um contraforte crescente para o restante do material acima. Neste caso, há a presença do comportamento convexo, com o aumento da aceleração, que diminui com o tempo e resulta em um efeito de curvatura.

Ao aplicar o método de Fukuzono em dados de monitoramento real, pode-se concluir que, para detectar com eficiência as taxas de deformação precoce, é necessário usar um espaço de tempo mais longo na análise de velocidade. Os espaços de tempo mais longos permitem a detecção precoce de um processo de deformação em curso. Contudo, os espaços de tempo mais curtos são mais precisos quanto à estimativa do momento de falha, pois são afetados pelo estado mais recente de deformação da massa rochosa.

O Desafio de Prever uma Ruptura

Os engenheiros geotécnicos precisam monitorar e prever uma ruptura para reduzir o risco de ferimentos e danos aos funcionários, equipamentos e operações. Contudo, os diferentes gráficos de velocidade inversa aos quais Fukuzono se refere nem sempre se aplicam à indústria mineradora, sendo aplicáveis somente a uma série limitada de falhas nas quais a aceleração tende a ser constante, sem a presença de processos de suavização de tensões e outros estresses.

No ambiente da mineração, as falhas podem englobar a ruptura de pontes rochosas, que resultam em drásticas mudanças na condição dos materiais, que passam de uma massa rochosa sólida para um material solto e deslocado. Essas falhas têm elevada correlação com os processos de enrijecimento e suavização de tensões. No ambiente da mineração, a recuperação da coesão e fricção de uma massa rochosa deslocada não é passível de ocorrer, devido aos estresses contínuos do ambiente que rompem qualquer novo processo de ligação.

Outra limitação do método da velocidade inversa é que as rupturas sempre ocorrem antes de a velocidade inversa chegar a zero. Portanto, não é seguro usar os gráficos de velocidade inversa e confiar que a ruptura vai ocorrer próximo àquele momento.

Estatísticas sobre as Rupturas

Um total de 74 rupturas foram analisadas, 59 em highwall e 15 em low wall. As duas variáveis – valores mínimos de velocidade inversa e erro na predição de rupturas – foram mensuradas por espaços diferentes de tempo, de 1 hora e 24 horas. O objetivo era compreender os erros nos quais um engenheiro geotécnico experiente poderia incorrer ao tentar prever quando ocorreria uma ruptura através do método de Fukuzono. O erro (E) é a diferença entre o momento real de ruptura (conforme medido pelo SSR) e o momento previsto de ruptura, determinado pela extrapolação da velocidade inversa até sua intersecção com o eixo do tempo. O erro é a diferença do momento, que pode pender para a segurança (predição para antes da ruptura) ou para o risco (predição para depois da ruptura). Definiu-se a ruptura no ponto onde o comportamento acelerado de qualquer gráfico progressivo se tornou estático ou desacelerado.

A Velocidade Inversa Mínima na Ruptura: 1 Hora e 24 Horas

As figuras 13 e 14 mostram a importância de usar diferentes limiares de velocidade inversa para avaliar a probabilidade de uma ruptura com base no espaço de tempo. Tanto na análise de velocidade de 1 hora como na de 24 horas, por exemplo, tal diferença é destacada para um valor de velocidade inversa entre 0,3 e 1. Nos histogramas, a primeira teve duas rupturas enquanto a última teve 12.

Erro (E) na Predição de Rupturas

Para cada ruptura, uma predição da falha iminente se deu antes da falha. As barras entre o erro (E) de -24 horas e -1 hora nos histogramas correspondem aos casos nos quais a predição da ruptura se deu dentro de 24 horas a 1 hora antes da ruptura real. É provável que tenham pendido para a segurança, permitindo a remoção da maioria dos equipamentos e de todos os funcionários.

As barras entre -1 hora e 0 horas correspondem aos casos nos quais a predição da ruptura se deu dentro de 0 horas a 1 hora da ruptura real, tempo este para remover apenas alguns maquinários e os funcionários.

As barras entre 0 e 24 horas correspondem aos casos nos quais a predição da ruptura se deu após a ruptura real, podendo resultar em graves riscos de perda de funcionários e equipamentos.

Para todos os cenários, há muitas predições malsucedidas nessas barras do histograma. Os últimos casos de predição correspondem aos materiais que sofreram suavização da tensão sem formar nenhum contraforte à sua frente para mitigar o processo de aceleração. Pressupõe-se que a velocidade inversa = 0 no momento da ruptura levou à predição tardia da ruptura. Os dados continham ruídos demais, a configuração correta do espaço de tempo não foi usada ou o radar foi implantado tarde demais durante o processo de ruptura. Na maioria dos casos, o radar foi usado como uma ferramenta reativa, ao invés de preventiva.

A maioria das predições malsucedidas se deu com 24 horas como período de cálculo da velocidade. Isso valida a hipótese de que espaços de tempo mais longos são úteis para a predição precoce das rupturas, porém não oferecem uma predição precisa do momento da ruptura.

Os resultados na Tabela 2 mostram os erros estimados que devem ser considerados na predição de uma falha. O 95º percentil da velocidade inversa de 1h em parede alta (HW IV1h) indica que, em 5% dos casos, a ruptura acontece 8 horas e 30 minutos antes do momento previsto de ruptura. Da mesma forma, o 70º percentil da velocidade inversa de 24h em low wall (LW IV24h) indica que, em 30% dos casos, a ruptura real acontece 6 horas antes do momento previsto de ruptura. Esses parâmetros estatísticos devem ser considerados na predição de rupturas e para a definição de alarmes com base na velocidade de deformação.

Conclusão

O método da velocidade inversa de Fukuzono se mostrou bem-sucedida em muitos casos de instabilidade de taludes em minas a céu aberto. Contudo, sua aplicação requer uma compreensão rigorosa das variáveis.

A magnitude dos erros nos 74 casos analisados pende preocupantemente para o risco. As evidências sugerem que as falhas sempre acontecem antes da intersecção de qualquer gráfico de velocidade inversa (côncavo, linear e convexo) com o eixo do tempo. O método de Fukuzono é mais passível de prever uma falha após uma ruptura, não antes desta.

O software de radar que calcula a velocidade e a velocidade inversa requer flexibilidade para diferentes configurações. A recomendação mais segura consiste em escolher uma faixa de cálculos de velocidade e velocidade inversa, com diferentes espaços de tempo, para ampliar a chance de detecções precoces e predições precisas.

Quando se usa a velocidade inversa com espaço de tempo de 1 hora para highwall, as evacuações devem se dar 8h30 antes do momento previsto da ruptura, ou 10h30 antes para paredes baixas. Ao se usar a velocidade inversa com espaço de tempo de 24 horas, as evacuações devem se dar 21h20 antes do momento previsto da ruptura para paredes altas, ou 10h20 antes para paredes baixas.

Esse tipo de abordagem tende a ampliar a segurança, mas pode haver redução da produtividade se a ruptura ocorrer nos percentis inferiores.

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Este artigo é um resumo do artigo sobre análise de falhas em minas a céu aberto e considerações sobre a incerteza na predição de rupturas por A. G. Cabrejo-Liévano. Leia o artigo na íntegra aqui.