Diagnóstico de Áreas Mineradas e Degradadas

14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental DIAGNÓSTICO AMBIENTAL DE ÁREAS MINERADAS E DEGRADADAS Max Gabriel Timo Barbosa; André Luís Brasil Cavalcante

RESUMO Esta pesquisa tem como objetivo explicar os aspectos fundamentais do processo de construção de uma barragem de rejeitos, analisar sua estabilidade e elucidar os impactos que esta estrutura causa ao meio ambiente. Para esclarecer a importância do projeto em uma barragem de rejeitos enumeraram-se as principais etapas da concepção desta, explicando aspectos que devem ser considerados em cada nível do projeto para uma melhor construção. Viu-se que o método de alteamento a montante, apesar de ser o mais utilizado, é o que propicia maiores riscos a construção. Exemplificou-se, por meio do software GEOSLOPE, uma análise de um talude hipotético de um represamento e, antes, elucidou-se aspectos teóricos de tal análise. Observou-se que a análise da estabilidade é realizada para otimizar a estrutura no que concerne aos objetivos de custos e outros, mantendo confiabilidade. Ademais, analisaram-se as poropressões geradas durante a construção e quão importantes seus efeitos são na estabilidade do talude do represamento. Após este exemplo, tentou-se demonstrar os impactos ambientais gerados pela barragem de rejeitos e a relevância do monitoramento de tal obra. Observaram-se os graves impactos gerados na ruptura de um represamento por meio da breve descrição do acidente ocorrido em Aznalcollar, Espanha. Palavras-chaves: barragem de rejeitos, análise da estabilidade, impacto ambiental.

ABSTRACT This research aims to explain the key aspects of the construction of a tailings dam, analyze its stability and to elucidate the effects that this structure causes to the environment. To clarify the importance of the project in a tailings dam was listed on the main stages of the design of this, explaining aspects that must be considered at each level of the project for better construction. It was seen that the upstream method, despite being the most used, is the one which provides the greatest construction risk. Is exemplified by means of the software GEOSLOPE, an analysis of a hypothetical slope of an embankment, which was previously clarified with a theoretical analysis. It was observed that the stability analysis is performed to optimize the structure in respect of costs and other objectives, while maintaining reliability. Furthermore, we analyzed the pore-water pressures generated during construction and how its effects are important on the stability of the impoundment. After this example, we tried to demonstrate the environmental impacts generated by the tailings dam and the relevance of monitoring such work. It was observed the serious impacts of a dam break in through the brief description of the accident in Aznalcóllar, Spain. Key words: tailings dam, stability analysis, environmental impact. 14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 INTRODUÇÃO As barragens de rejeitos são estruturas construídas ao longo do tempo visando a diminuição dos custos no processo de extração mineral, através de alteamentos sucessivos. Assim, um dique de partida é construído inicialmente e a barragem passa por alteamentos ao longo de sua vida útil, podendo ser construídas com material compactado proveniente de áreas de empréstimo, ou com o próprio rejeito, através de três métodos: montante, jusante ou linha de centro, conforme apresentando na Figura 1.

Figura 1 – Diferentes métodos de alteamento, (Lozano, 2006)

O método de montante é o mais antigo, simples e econômico método de construção de represamentos. A etapa inicial na execução deste tipo de barragem consiste na construção de um dique de partida, normalmente de material argiloso ou na forma de um enrocamento compactado. Após realizada esta etapa, o rejeito é lançado por ‘canhões’ na direção a montante da linha de simetria do dique, formando assim a praia de deposição, que se tornará a fundação e eventualmente fornecerá material de construção para o próximo alteamento. Este processo continua sucessivamente até que a cota final, prevista em projeto, seja atingida. O método de montante para alteamento de barragens de rejeito é o mais econômico em curto prazo, pois permite obter a menor relação entre volumes de areia e lama. Embora seja o mais utilizado pela maioria das mineradoras, o método de montante apresenta um baixo controle construtivo, tornando-se crítica sua relação à segurança. O agravante neste caso está ligado ao fato dos alteamentos serem realizados sobre materiais previamente depositados e não consolidados. Assim, sob condição saturada e estado de compacidade fofo, estes rejeitos (granulares) tendem a apresentar baixa resistência ao cisalhamento e susceptibilidade à liquefação por carregamentos dinâmicos e estáticos. Nesse método construtivo existe ainda uma dificuldade na implantação de um sistema interno de drenagem eficiente para controlar o nível 14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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d’água dentro da estrutura, constituindo um obstáculo adicional com reflexos na estabilidade da barragem, os quais serão posteriormente apresentados. Já no método de jusante, a etapa inicial consiste na construção de um dique de partida, normalmente de solo ou de enrocamento compactado, em que os alteamentos subsequentes são realizados para jusante do dique de partida. Este processo continua sucessivamente até que a cota final prevista em projeto seja atingida. As vantagens envolvidas no processo de alteamento para jusante consistem no controle do lançamento e da compactação, de acordo com técnicas convencionais de construção. Nenhuma parte ou alteamento da barragem é construída sobre o rejeito previamente depositado, além disso, os sistemas de drenagem interna podem ser instalados durante a construção do represamento e prolongados durante seu alteamento, permitindo o controle da linha de saturação na estrutura da barragem e aumentando sua estabilidade. A barragem também pode ser projetada e construída apresentando a resistência necessária ou requerida, já que há a possibilidade de atendimento integral das especificações de projeto. Entretanto, barragens alteadas pelo método de jusante necessitam de maiores volumes de material para construção, apresentando maiores custos associados ao processo de ciclonagem ou ao empréstimo de material. Além disto, com este método, a área ocupada pelo sistema de contenção de rejeitos é muito maior, devido ao progresso da estrutura para jusante em função do acréscimo da altura. Barragens alteadas pelo método de linha de centro apresentam uma solução intermediária entre os dois métodos citados anteriormente, apresentando vantagens dos dois métodos anteriores, tentando minimizar suas desvantagens. O comportamento geotécnico do método de linha de centro se assemelha mais a barragens alteadas para jusante, constituindo uma variação deste método, onde o alteamento da crista é realizado de forma vertical, sendo o eixo vertical dos alteamentos coincidente com o eixo do dique de partida. Neste método, torna-se possível a utilização de zonas de drenagem internas em todas as fases de alteamento, o que possibilita o controle da linha de saturação e promove uma dissipação de poropressões, tornando o método apropriado para utilização inclusive em áreas de alta sismicidade. Uma série de fatores desempenha um papel importante na concepção de um represamento, tais como: considerações físicas, tais como o volume de rejeitos e área requerida pela barragem; considerações financeiras tais como a quantidade e custo de material de enchimento; os controles de água; métodos de deposição de rejeitos; requisitos ambientais (controle de enchentes, da água do solo e da contaminação das águas superficiais e os efeitos nos habitats da vida selvagem).

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O processo de seleção do local mais favorável é tipicamente um processo de triagem, em que locais menos adequados são sucessivamente removidos de consideração posterior. Os critérios de seleção incluem o custo, restrições de projeto, e das condições ambientais e / ou desempenho. A importância de cada um dos critérios pode variar dependendo da operação e do local que está sendo analisado. A consideração de todos os fatores potenciais e a investigação completa do local em potencial pode aliviar problemas de projeto, quando a locação da barragem for definida.

2 ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE TALUDE Do projeto inicial do aterro para o encerramento da locação final, a estabilidade do aterro de rejeitos continua a ser uma consideração importante. O objetivo primordial do represamento é desenvolver um desperdício fiável na estrutura de contenção, ao menor custo possível. Escolhas em relação a materiais, ângulos de inclinação, drenagem de controle, o aumento das taxas, afetam o custo, bem como a estabilidade da estrutura. Portanto, a análise da estabilidade é realizada para otimizar a estrutura no que concerne aos objetivos de custos e outras, mantendo confiabilidade. A análise de estabilidade de taludes começa com uma estimativa da confiabilidade do aterro. Tipicamente, o projetista do aterro propõe a geometria interna e externa do aterro e depois calcula o fator de segurança do projeto. Utilizando informações detalhadas sobre as propriedades físicas do material e estimativas do volume de rejeitos e água a serem contidas no represamento, o lençol freático na superfície pode ser previsto. O projetista, em seguida, examina uma grande variedade de modos de falha para calcular as tensões estimadas expressas em superfícies de falha hipotéticas. O fator de segurança para cada modo de falha é então calculado dividindo-se a resistência estimada do aterro ressaltado ao longo da superfície de ruptura pela carga de estresse expressa na superfície de ruptura. Com este processo, o projetista pode olhar para mudanças nos parâmetros do projeto e a influência resultante do fator de segurança para chegar à opção de custo mínimo consistente com objetivos de segurança. Uma vez que a construção do represamento já começou, a qualidade das informações disponíveis para a análise de estabilidade de taludes melhora. O processo acima pode ser repetido para cada aumento do aterro, substituindo as estimativas de níveis freáticos superficiais e as propriedades físicas dos materiais de preenchimento com valores de medição coletados em campo. Com base em cálculos do fator adicional de segurança, o projeto do aterro pode ser alterado significativamente antes que a estrutura fique completa. A estabilidade de um aterro de rejeitos reduz durante o período de construção e, como forma de melhorar a estabilidade de um aterro, as barragens são construídas em fases. A análise numérica pode ser realizada para 14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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verificar a estabilidade dos taludes de rejeitos em programas como o PLAXIS e o GEOSLOPE W. As poropressões que se desenvolvem durante a construção de um aterro de rejeitos e as condições para a análise de estabilidade, muito relevantes para a análise da estabilidade de taludes, são discutidas abaixo.

2.1 Poropressões em barragem de rejeitos As poropressões (poropressões iniciais estáticas, poropressões iniciais em excesso, e poropressões devido ao cisalhamento) que se desenvolvem durante a fase de construção de uma barragem de rejeitos são mostradas na Figura 2. As poropressões estáticas iniciais us ocorrem devido ao estado constante do fluxo de infiltração sem qualquer carga externa sobre o aterro (Zardari, 2011). Na análise da estabilidade, é razoável o pressuposto de que a poropressão num determinado ponto está relacionado com a sua profundidade D abaixo da superfície freática (Figura 2a).

Figura 2- Poropressões em análise de estabilidade. (a) Poropressão estática inicial devido à infiltração, (b) excesso inicial de poropressão devido ao carregamento rápido uniforme, (c) poropressão devido ao cisalhamento, (d) condições de poropressão combinadas (Adaptado de Vick, 1990)

O excesso de poropressão inicial ue pode se desenvolver em um aterro construído pelo método de montante devido a uma taxa de aumento rápida, que não permite a dissipação das poropressões (Figura 2b). Do mesmo modo, em caso de fundação de argila mole, o excesso de poropressão pode ocorrer no material de base. Para solos muito grossos e permeáveis, a poropressão devido ao carregamento uf pode se dissipar rapidamente (Figura 2c). Para solos densamente compactados, poropressões negativas ocorrem devido a dilatância durante o cisalhamento. As poropressões negativas são negligenciadas na análise de estabilidade. Para solos soltos de granulometria fina, grandes popressões se desenvolvem devido a variações bruscas de tensão de cisalhamento. As mudanças na tensão de cisalhamento são dependentes 14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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não só da carga aplicada, mas de descarga também. O efeito combinado dos três tipos de poropressão é mostrado na Figura 2d.

2.2 Análise da estabilidade a longo prazo Para barragens convencionais, a análise de estabilidade a longo prazo é aplicável quando as tensões e poropressões internas se encontram em equilíbrio e as condições de escoamento em estado estacionário ocorrem abaixo do nível máximo do reservatório e, como resultado, toda a massa de solo por baixo da superfície freática desenvolve poropressões positivas. As forças de infiltração atuam na direção do talude de jusante. Assim, uma condição de escoamento em estado estacionário é perigosa para a inclinação do talude de jusante. Análises de longo prazo para aterros de rejeitos são aplicáveis em condições semelhantes às definidas para as barragens de água convencionais, mas com mais algumas suposições. A condição para a análise de longo prazo é que não haverá nenhuma mudança rápida na carga externa. Análises de longo prazo são realizadas quando os diques levantados atingem a altura máxima. Para aterros levantados lentamente, presume-se que as poropressões e tensões internas devido a nivelamentos anteriores estarão em equilíbrio. O outro pressuposto é que a condição de equilíbrio da infiltração pode ocorrer quando o aterro atinge a altura máxima. Estes pressupostos fazem a menor estimativa das poropressões de longo prazo (Vick, 1990). As propriedades dos depósitos de rejeitos muito soltos podem ser semelhantes aos dos depósitos naturais de argila sensível. Para uma argila sensível, mesmo um pequeno deslize inicial em uma encosta pode causar uma rápida mudança nas condições de carga na ponta de encosta e pode produzir uma série de deslizamentos, resultando em falha da encosta. Esta situação também pode ocorrer em barragens de rejeitos construídas de material muito solto (Zardari, 2011). A Figura 3 ilustra a análise a longo prazo dos aterros de rejeitos (Vick, 1990). A Figura 3 (b) mostra a análise de tensão efetiva para um aterro a montante para a condição de longo prazo. Três superfícies de falha A, B e C são mostradas para diferentes fatores de segurança (FS). A superfície de ruptura (FS = 0,99) indica que um deslizamento por descamação pode ocorrer em materiais saturados próximos ao pé da barragem de rejeitos. Geralmente, este tipo de deslizamento por uma pequena descamação é considerado perigoso para a estabilidade global do aterro (Vick, 1990). Mudanças nas tensões resultantes da descamação podem aumentar a poropressão na parte restante do aterro. A análise da situação não drenada por meio de parâmetros totais de tensão pode ser usada para modelar estas novas condições que ocorrem devido à descamação (Vick, 1990). A Figura 3 (c) mostra a análise global da tensão (as pressões intersticiais induzidas por alterações na tensão de cisalhamento são consideradas). Neste caso, a

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falha pode ocorrer ao longo da superfície B (FS = 0,95) e a superfície do fracasso C (FS = 1,05) tem uma estabilidade marginal (Vick, 1990).

Figura 3 – Ruptura progressiva sobre condições de carregamentos drenados e não drenados. (a) Condições de geometria, de material e freáticas, (b) Análise de tensão efetiva, condição de longo prazo, (c) Análise de tensão total, após mudança no carregamento produzido pela falha inicial. (modificado Vick, 1990)

2.3 Exemplo de análise de estabilidade Foi realizada uma análise de estabilidade estática de um represamento hipotético usando o software SLOPE/W da GeoSlope. A estabilidade referida aqui foi calculada com o método Morgenstern-Price, utilizando os parâmetros visualizados na Figura 4.

Figura 4 – Materiais utilizados na análise com o SLOPE/W

O cálculo de estabilidade foi realizado pelo método de equilíbrio limite, que leva em consideração apenas o peso dos materiais envolvidos, o ângulo de atrito e sua coesão, pelo critério de Mohr-Coulomb, desconsiderando a distribuição correta de tensões que ocorre dentro do maciço. Na análise encontrou-se fator de segurança igual a 2,0, mostrando que tal talude hipotético está em condições adequadas de estabilidade. A Figura 5 apresenta a superfície crítica gerada pela análise por Morgenstern-Price. 14º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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Figura 5 – Superfície de ruptura circular (Morgenstern-Price) – FS = 2,00.

Observa-se que a superfície de ruptura se deu em uma superfície que passa por quatro materiais, os rejeitos de areia em camadas, o solo da fundação, o solo a jusante do dique e o material que forma o dique de partida. Além disso, ficou evidenciado que na região ao pé do talude há concentrações de tensão e que estas tensões induzidas, decorrentes da mudança da geometria, podem gerar fraturamento induzido.

3 IMPACTOS AMBIENTAIS INERENTES AO REPRESAMENTO DE REJEITOS 3.1 Recuperação de represamento de rejeitos A lixiviação dos contaminantes de rejeitos para a água subterrânea é prejudicial para o ambiente. Os drenos nas barragens de rejeitos podem ser conectados devido à deposição de sais, e.g. sais de gesso e ferro. A degradação a longo prazo de camadas protetoras está possível devido ao intemperismo químico de materiais de cobertura e forros (Zardari, 2011). A drenagem ácida da mina (DAM) é o principal problema ambiental enfrentado pela indústria de mineração. O fenômeno DAM ocorre em metais (ferro, níquel, chumbo, zinco e cobre), ouro, urânio, carvão e lignite. A DAM é produzida pela oxidação do sulfureto de minerais, principalmente pirita e pirrotita, na presença de ar, água e as bactérias, resultando na formação de soluções ácidas com o aumento das concentrações de ânions sulfato e metais dissolvidos (Mylona et al., 2004). A deposição inadequada e a reabilitação de barragens de rejeitos podem produzir uma drenagem ácida que pode ocorrer durante centenas de anos ou mais após o encerramento da mineração. A DAM produz ácido sulfúrico e metais tóxicos, que contaminam o solo e águas subterrâneas, sendo que os ácidos gerados podem matar organismos que viviam em sistemas de água há anos, causando problemas para o uso da terra. A lixiviação dos contaminantes produzidos devido à oxidação da pirita (se presente) pode ser evitada, fornecendo uma cobertura de argila sobre o represamento durante o abandono e a recuperação; a cobertura de água impede a entrada de oxigênio e, assim, pode parar a geração da DAM (Mylona et al., 2004).

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3.2 Exemplificação dos efeitos gerados pelo rompimento de uma barragem de rejeitos – o caso de Aznalcóllar Em 1998, um desastre de mineração em Aznalcóllar (região da Andaluzia, sudoeste da Espanha) despejou grandes quantidades de minerais no rio Guardiamar e nas terras usadas para a agricultura encontradas nas imediações do mesmo, chegando também ao Parque Nacional e Natural de Doñana (Figura 6). Foi a mina de pirita da empresa sueca Boliden que causou tal derramamento, de cerca de seis milhões de metros cúbicos de água ácida, que contaminou 63 milhas do rio e cerca de 4.634 hectares de terra, o que provocou as mortes de inúmeros peixes e outros animais, além de devastarem culturas, flora e solos. Essas águas ácidas, junto com lama, (pH ~ 3) continham metais tóxicos, como zinco, chumbo, arsênio, cobre, antimônio, cobalto, tálio, bismuto, cádmio, prata, mercúrio e selênio que cobriram a superfície do solo por um lodo espesso. Dependendo da topografia, foram espessuras que variaram de 1,5 metros nas depressões da parte superior da bacia, com uma espessura mínima (apenas 1mm) nas áreas de fronteira do derramamento.

Figura 6 – Rompimento da barragem de rejeitos em Aznalcóllar

Os efeitos da ruptura do represamento são percebidos até hoje e o governo espanhol já direcionou entre 300 e 400 milhões de euros para tentar deixar a área contaminada relativamente limpa. Os resultados estão sendo alcançados por meio da diluição da contaminação da superfície pela realização de uma aração profunda na camada superficial, a mais contaminada, com níveis subsuperficiais logicamente menos contaminados; por meio da neutralização da alta acidez que ocorreu em solos que não continham carbonatos; com a adição de material com capacidade de ligação a metais pesados, tais como os compostos de Fe, argilas, adubos orgânicos, etc. Esse acidente evidentemente poderia ter sido evitado por um maior rigor das autoridades e por um maior rigor quanto à locação de barragens de rejeitos, já que, mesmo monitorada, esta

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gera impactos ambientais que não podem ser admitidos em um lugar tão próximo a um parque nacional.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS A partir do que foi apresentado ao longo da pequisa, chegou-se a várias conclusões importantes. Observou-se que o método de alteamento a montante, apesar de ser mais susceptível a riscos quanto à estabilidade, é, ainda, o método mais utilizado pelas mineradoras, por conta da sua praticidade e custo menor comparado aos outros métodos. Verificou-se também que o processo de projeto e locação de uma barragem de rejeitos depende de vários fatores, exemplificando que tal processo é complexo e deve ser bem planejado para uma correta execução da obra.

5 REFERÊNCIAS Araújo, C. B. Contribuição ao estudo do comportamento de barragens de rejeito de mineração de ferro. 2006. 133 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Rio de Janeiro, 2006. Erazo Lozano, Fernando Arturo. Seleção de locais para barragens de rejeitos usando o método de análise hierárquica / Fernando Arturo Erazo Lozano. – São Paulo, 2006. Espósito, T. J. Metodologia probabilística e observacional aplicada a barragens de rejeito construídas por aterro hidráulico. 2000. 363 f. Tese (Doutorado em Geotecnia) – Universidade Federal de Brasília, Brasília, 2000. Vick, S.G. 1990. Planning, Design and Analysis of Tailings Dams. BiTech Publishers Ltd. Ladd, C.C. (1991). Stability evaluation during staged construction: 22nd Terzaghi Lecture. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 117(4), 537-615. Gerscovich, Denise – Estabilidade de taludes / Denise Gerscovich. – São Paulo: Oficina de Textos, 2012. California Mining Association (1991). Mine Waste Management. Sacramento, CA. Kealy, C.D. and R. Busch. Sem data. Evaluation of Mine Tailings Disposal. Zardari, M.A. (2011). Stability of Tailings dam – Focus on Numerical Modelling. Luleá University of Technology, 2011.

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