Comportamento mecânico de rejeito de minério de ferro cimentado : efeito da granulometria e das condições de compactação

Abstract

O interesse mundial sobre o estudo das técnicas de estabilização geotécnica de rejeitos vindos da indústria de mineração tem crescido substancialmente nas últimas décadas. Isso ocorre devido à necessidade comercial crescente dos diversos minérios e, também, devido à utilização de jazidas com teores cada vez menores do minério econômico. Como consequência, isso ocasiona em quantidades cada vez maiores de rejeito sendo produzidas e, como forma de descarte, são comumente dispostas em barragens. Na última década, em especial, o interesse nestes estudos cresceu também devido as grandes catástrofes ocorridas no Brasil recentemente envolvendo barragens de rejeito, na barragem do Fundão em Mariana-MG em 2015 e na barragem da mina do Córrego do Feijão em Brumadinho-MG em 2019. Com base nisso, boa parte da indústria de mineração busca renovar seu método e sua técnica de disposição, sendo um destes métodos a aplicação da filtragem deste rejeito e, em seguida, a sua disposição em pilhas compactadas. Aliado a isso, fatores como a variação granulométrica do rejeito advindo do processo de mineração e a variação pluviométrica da região são questões a serem investigadas para uma compactação segura e que garanta uma pilha resistente e rígida. Assim, esta tese tem o objetivo de avaliar a aplicabilidade da estabilização de um rejeito de minério de ferro, localizado no Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais, com variações dos teores de ultrafinos de rejeito (20%, 30% e 40%) e dos teores de umidade (11%, 13% e 15%) e teores de cimento (1%, 3% e 5%). Para isso, serão realizados ensaios de condutividade hidráulica, resistência à compressão simples (RCS), velocidade de pulso-ultrassônico (UPV) e simple shear. Nos ensaios de RCS e UPV, duas etapas foram avaliadas, a primeira fixando o peso específico (17 e 18 kN/m³) e a segunda fixando o grau de compactação (GC = 100%). No ensaio simple shear, foram realizadas três etapas, onde a primeira avalia os efeitos da cimentação (C = 1%) e também traz respostas das demais variáveis, na segunda busca-se respostas mais claras com relação ao comportamento das envoltórias das amostras não cimentadas, e na terceira selecionou-se amostras de diferentes teores de ultrafinos com GC = 100% e também em mesmas condições de índices de vazios, para respostas mais amplas dos efeitos destes fatores nas misturas. Como resultados, no que diz respeito aos ensaios de RCS e UPV, foi observado que as variáveis analisadas foram estatisticamente significativas nos ganhos de resistência e rigidez, com destaque ao teor de cimento. Com relação à variação no teor de ultrafinos e no teor de umidade, pouco efeito foi verificado nas variações de resistência e rigidez, apesar de terem sido estatisticamente significantes nos ensaios avaliados. No ensaio simple shear, por sua vez, notase uma maior resistência e rigidez para amostras com menor quantidade de finos e que estejam no ramo seco, independente se a amostra tem o mesmo índice de vazios ou o mesmo peso específico. Além disso, boas aproximações de envoltórias são notadas, seja esta linear ou curvilínea. Nas envoltórias lineares, um mesmo ângulo de atrito foi encontrado para amostras com mesmo teor de ultrafinos, independente da umidade e do teor de cimento empregado.

The global interest in the study of geotechnical stabilization techniques for mining industry tailings has substantially grown in recent decades. This is attributed to the increasing commercial demand for various ores and the utilization of deposits with progressively lower concentrations of economic minerals. Consequently, this results in ever-growing quantities of tailings being generated and commonly disposed of in impoundments. In the last decade, particularly, interest in these studies has surged due to major catastrophes involving tailings dams in Brazil, notably the Fundão dam in Mariana, MG in 2015, and the Córrego do Feijão mine dam in Brumadinho, MG in 2019. In response to these challenges, a significant portion of the mining industry is seeking to revamp its disposal methods, with one such method being the application of tailings filtration followed by disposal in compacted piles. Additionally, factors such as the particle size distribution of tailings from the mining process and the rainfall variation in the region pose questions that need investigation for secure compaction, ensuring a resilient and rigid pile. Therefore, the objective of this thesis is to assess the applicability of stabilizing iron ore tailings located in the Iron Ore Quadrangle in Minas Gerais, Brazil. The study involves variations in ultrafine tailings content (20%, 30%, and 40%), moisture content (11%, 13%, and 15%), and cement content (1%, 3%, and 5%). To achieve this objective, tests will be conducted, including hydraulic conductivity, unconfined compression strength (UCS), ultrasonic pulse velocity (UPV), and simple shear tests. For RCS and UPV tests, two stages were evaluated: the first fixing the specific weight (17 and 18 kN/m³), and the second fixing the degree of compaction (GC = 100%). In the simple shear test, three stages were conducted. The first stage assessed the effects of cementation (C = 1%) and provided responses to other variables. The second stage sought clearer responses regarding the behavior of uncemented sample envelopes. In the third stage, samples with different ultrafine content were selected with GC = 100% and under the same void ratio conditions for a broader understanding of the effects of these factors on mixtures. Results indicate that, in terms of RCS and UPV tests, the analyzed variables were statistically significant in gains in strength and stiffness, with a notable emphasis on cement content. Concerning variations in ultrafine content and moisture content, little effect was observed on strength and stiffness variations, although they were statistically significant in the evaluated tests. In the simple shear test, higher strength and stiffness were observed for samples with lower fines content and in the dry branch, regardless of whether the sample had the same void ratio or specific weight. Moreover, good approximations of envelopes, whether linear or curvilinear, were noted. In linear envelopes, the same friction angle was found for samples with the same ultrafine content, regardless of the moisture and cement content employed.