Liderança de Idéia: Técnicas de Monitoramento de Última Geração para Barragens de Rejeitos da Samarco

Diretor de Operações da GroundProbe, David Noon

À medida que a complexidade dos projetos de mineração aumenta, a gestão eficaz das barragens de rejeitos torna-se crítica, assim como o crescente foco global no desenvolvimento seguro e sustentável. A estabilidade geotécnica é um fator chave em muitas falhas em barragens de rejeitos. Ao monitorá-los e instrumentá-los, podemos desenvolver uma melhor compreensão das causas dessas falhas e, mais importante, de como prever e agir para proteger a vida humana e minimizar os danos ambientais. Para isso, foi realizada uma análise retrospectiva das técnicas de monitoramento de última geração da mina da Samarco, Brasil.

Falhas nas Barragens de Rejeitos

As falhas em barragens de rejeitos podem causar perdas fatais e danos significativos ao meio ambiente e à propriedade. Existem aproximadamente duas a cinco falhas em barragens de rejeitos por ano, dentre os 3.500 que existem no mundo inteiro. No entanto, a gestão adequada pode ajudar a mitigar os riscos. Nos Estados Unidos, o gerenciamento ajudou a reduzir o número de falhas de 77 entre 1960 e 1990 para apenas 15 nos trinta anos seguintes.

A mina da Samarco está localizada no estado de Minas Gerais, Brasil, e está conectada à barragem de rejeitos da Fundão, que sofreu uma ruptura catastrófica em 2015 que resultou em danos ambientais e econômicos e a perda de 19 vidas. Desde então, a Samarco está comprometida com a tarefa de recuperar as regiões afetadas pela falha e compartilha suas descobertas para ajudar a mitigar os riscos de falha no Brasil e no resto do mundo para ajudar a criar um ambiente mais seguro.

Como até recentemente o Brasil era considerado um país livre de terremotos, só agora estão surgindo análises dinâmicas. Por outro lado, o país não possui leis ou normas que regulem as cargas dinâmicas no projeto de uma barragem.

Características das Barragens e Taludes

Três falhas no complexo foram analisadas com monitoramento por radar em tempo real no momento da falha. Os três eventos ocorreram após a ruptura de 2015 em três seções separadas do complexo de mineração: a barragem de Santarém, Dique 2, e um talude natural a 200 m da barragem do Fundão. A Figura 1 mostra a localização dessas seções.

Figura 1: Locais dos Sites da Samarco

A barragem de Santarém, localizada a 3 km a jusante da barragem da Fundão, foi projetada como uma estrutura de concreto para suportar água e rejeitos. Embora não tenha desabado em 2015, sofreu danos estruturais. Para garantir a integridade futura da barragem, a Samarco construiu um contraforte de terra para reforçar um lado. O monitoramento por radar detectou uma pequena falha localizada durante a construção deste contraforte.

O Dique 2 está localizado 500 m a montante do Dique 1 da barragem da Fundão. Foi projetado para reter a lama e, juntamente com o Dique 1, sofreu falhas em 2015. Dos 19.000.000 m3 de material remanescente após a falha, a maioria era lama do Dique 2. Após fortes chuvas em janeiro de 2016, 1.000.000 m3 deste material foram transportados a jusante e sobre a barragem de Santarém. Dados os reparos em andamento, o risco de falha dos diques adjacentes e recursos naturais, bem como as falhas contínuas do Dique 2, são considerados um risco significativo. O monitoramento por radar detectou vários eventos menores, um dos quais será examinado mais detalhadamente.

Também foi monitorado um talude natural localizado 200 m a jusante da barragem da Fundão, dado um risco avaliado de ruptura por cisalhamento que poderia colocar em risco as pessoas que trabalham na área monitorada. O monitoramento por radar detectou e deu suficiente aviso de falha.

Ativadores de Alarme e Tempos de Resposta

Todos os instrumentos da Mina da Samarco possuem ativadores para gerar respostas apropriadas, com base no nível de movimento detectado. Os limites para monitoramento por radar, resumidos na Tabela I, foram selecionados para permitir um maior aviso antes da ocorrência de eventos e com base na análise retrospectiva de uma falha menor capturada na Barragem de Santarém.

Tabela 1: Plano de Resposta para Nível de Disparo, Incluindo Limites de Movimento de Radar Nomeados

Ao calcular a média das observações ao longo do tempo, é importante reconhecer que um equilíbrio deve ser alcançado entre leituras precisas e “ruído” nos dados suavizando as tendências. Por esse motivo, diferentes períodos de cálculo foram avaliados para estabelecer a sensibilidade dos limites existentes na mina da Samarco e sua aplicabilidade para prever uma falha. Estes são representados nos parâmetros “velocidade durante o período de cálculo”.

Estudo de Caso 1 – Barragem de Santarém

Em 12 de junho de 2016, uma pequena falha local foi observada em um aterro (Figura 2). O material viajou ao longo de um plano de deslizamento que formava dois terços do caminho até o segundo banco. Nos meses anteriores, os relatórios de vigilância por radar GroundProbe documentaram taxas de deformação insignificantes que não foram associadas a operações, tráfego ou períodos de chuva.

O material compactado de terra exibiu deformação reversa/progressiva antes da falha (Figura 3), o que pode levar rapidamente ao colapso. Isso provavelmente foi causado por uma quantidade excepcionalmente alta de chuva no início de junho.

Os limites de alarme existentes foram capazes de prever falhas locais e forneceram avisos cinco, três e uma hora antes da falha (Tabela II), um período seguro e viável para cada tipo de resposta. Limites menores teriam disparado alarmes por períodos mais longos nos dias anteriores e apresentado um risco de alarmes sem eventos em condições estáveis.

Figura 2: Monitoramento de Radar de Estabilidade de Taludes para Barragem de Santarém, Mostrando a Localização da Falhas Local

Figura 3: Tendência dos Dados de Velocidade e Deformação para a Barragem de Santarém, Limites de Alarme de Velocidade Mostrados

Tabela 2: Avaliação do Alarme de Velocidade para Barragem de Santarém

Estudo de Caso 2 – Dique 2

Entre 8 e 14 de agosto de 2016, um colapso de detritos foi observado na base do Dique 2. À medida que os detritos viajavam a jusante, uma tendência de ruptura progressiva foi observada até o colapso, com aproximadamente 50% da deformação do material no sexto dia após o evento. Dada a falta de chuvas recentes, a causa provável foi o escoamento rio acima, que fez com que as forças hidráulicas degradassem preferencialmente um caminho através do material.

Figura 4: Monitoramento de Radar de Estabilidade de Declive para o Dique 2, Mostrando Localização de Colapso de Slimes

Os limites de velocidade do site foram eficazes na previsão do colapso e forneceram um aviso 42, 9 e 1,8 horas antes do evento (Figura 5 e Tabela V).

Ao contrário da barragem de Santarém, esta falha foi observada ao longo de vários dias, o que significa que períodos de cálculo maiores, como velocidade de 360 e velocidade de mais de 1440, se mostrassem mais eficazes na previsão de falhas.

Figura 5: Tendência de dados de velocidade e deformação para o dique 2, limites de alarme de velocidade mostrados

Tabela 5: Avaliação do Alarme de Velocidade para o Dique 2

Estudo de Caso 3 – Talude Natural do Eixo 1

Em 14 de novembro de 2016, foi observado desprendimento de material no talude natural do Eixo 1 em decorrência de deformação local, regressiva/progressiva. O tempo entre a primeira observação da deformação e a falha do material foi de 7,5 dias.

O talude, composto por rocha solta, estava inicialmente intacto, mas degradou-se com o tempo. É provável que a falha se deva ao rompimento da rocha na base do talude e ao aumento da pressão da água. A evidência de um evento semelhante pode ser vista na Figura 6.

Figura 6: Monitoramento de Radar de Estabilidade de Declive para Eixo 1 em Novembro de 2016, Mostrando a Localização da Falha de Deslizamento Circular

Os limites de velocidade existentes no site não conseguiram prever a falha local no Eixo 1. Um alarme amarelo disparou trinta minutos antes da falha, mas poderia facilmente ter sido ignorado. Métricas alternativas são recomendadas como medidas de controle adicionais, portanto, uma avaliação dos ativadores de deformação foi realizada (Figura 7 e Tabela III). Eles são úteis para remover ruído de poucos dados de deformação e, portanto, apresentam resultados ligeiramente diferentes da análise de velocidade.

Figura 7: Tendência de Dados de Deformação para Eixo 1

Tabela 3: Avaliação de Alarme de Deformação para Eixo 1

Embora o ativador de deformação possa ser adequado para situações como Eixo 1, os alarmes também tendem a disparar com mais frequência e requerem engenharia geotécnica para determinar se um perigo é plausível. Não é lucrativo ter soluções em tempo real às 24 horas em condições estáveis, portanto, as observações visuais são recomendadas como a principal medida de controle. O pessoal de operação treinado em riscos geotécnicos é extremamente importante para detectar os riscos antecipadamente.

Implicações e Limitações

EOs limites existentes no site para as taxas de deformação foram capazes de prever dois dos três eventos com tempo de aviso adequado. A falha do Eixo 1 indica que existem métricas de deformação adicionais que podem ser usadas para aumentar a probabilidade de detecção de um evento.

Vale a pena considerar se um valor de ativador conservador para cada limite aplicado no site é realmente eficaz para diferentes tipos de taludes. Os engenheiros também devem considerar as condições climáticas inesperadas.

A intenção da estratégia de monitoramento da barragem é avaliar e medir as expectativas do projeto em relação ao desempenho da barragem. Antecipa-se que a correlação dos parâmetros de tensão com outras leituras de instrumentação seria valiosa no desenvolvimento de estratégias de monitoramento. Embora o monitoramento sem informações prévias seja um desafio, não é redundante.

Os ativadores de alarme amarelo, laranja e vermelho para as taxas de deformação de talude monitoradas por radar foram capazes de fornecer um alerta para eventos de longa duração. No entanto, eles não tiveram sucesso em prever eventos de curta duração. Métodos alternativos são sugeridos, incluindo avaliação de tensão, para fornecer medidas preditivas adicionais.

Mais Informaçãoe

Este artigo é um resumo do documento State of the Art Monitoring Techniques for Samarco Tailings Dams, por L. Clarkson, S. Carneiro, B. de Matos Castilho, D. Williams, M. Ruest, M. Llano e D. Noon. O documento foi apresentado no XIV Congresso Internacional de Energia e Recursos Minerais, realizado em abril de 2018.