ARTÍCULOS ORIGINALES

Evaluación de las vibraciones inducidas y sus efectos en las edificaciones de una comunidad próxima a una gran mina de hierro

 

Evaluation of induced vibration and its effects on buildings in a community near a large iron ore mine

 

Vidal Félix Navarro Torres ^a, Fabiano Veloso Ferreira^b & Victor Albuquerque de Carvalho ^c
a Vale Institute of Technology, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil, vidal.torres@itv.org
^b Vale Institute of Technology, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil, fabiano.veloso@itv. org
^c Vale Institute of Technology, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil, victor.carvalho@pq.itv.org

 

 

---

Resumen

La voladura de rocas es una de las actividades que se realizan habitualmente en la minería. A pesar de sus beneficios para el progreso de las actividades en la mina, las voladuras tienen algunos efectos negativos como las vibraciones inducidas y la presión acústica, lo que hace que este tema sea de gran relevancia para la comunidad en general. Entre las diversas metodologías para estimar la propagación de ondas a lo largo del terreno, se encuentra el desarrollo de leyes de atenuación. En este trabajo se abordarán los impactos de las vibraciones inducidas generadas por la voladura de rocas con explosivos y sus posibles efectos sobre los edificios próximos al tajo de una gran mina de hierro.

Palabras clave: Daños, edificios, comunidad, mina a cielo abierto; perforación y voladura; vibraciones.

---

Abstract

Rock blasting is one of the activities commonly carried out in open-pit mining. Despite their benefits for the progress of activities in the mine, blasting has some deleterious effects such as induced vibrations and acoustic pressure, making this topic of great relevance to the general community. Among the various methodologies for estimating the propagation of waves along the underground, there is the development of attenuation laws. This work will address the impacts of induced vibrations generated by explosive rock blasting and their possible effects on buildings near the pit of a large iron ore mine.

Keywords: Damage, buildings, community, open pit mine; drill-and-blasting; vibrations.

---

 

 

1 Introduction

As vibrares induzidas por desmonte de rochas com explosivos são um tema de grande relevancia e impacto. Essas vibracóes podem afetar tanto a integridade das estruturas quanto o conforto dos ocupantes.

Comumente, o parámetro utilizado para a quantificacao e avaliacao da potencialidade de danos das vibracóes sísmicas é a velocidade de vibracao de pico de partícula (PPV) em conjunto com frequência [1], [2]. A atenuacao da energia vibratoria é crucial para minimizar esses impactos. A distancia entre a fonte de vibracáo e o receptor, bem como a carga máxima por espera (CME) desempenham um papel fundamental nesse processo, uma vez que são variáveis fundamentais para definicao das leis de atenuacáo das vibracóes [3].

Neste estudo, foram avaliadas as vibracóes induzidas por desmontes de rochas com explosivos em uma mina de ferro de grande porte, localizada no Quadrilátero Ferrífero e o possível impacto dessas vibracóes em comunidades vizinhas.

 

2 Contexto Litológico e Topográfico da Mina e Área do Entorno

A geologia da área em estudo é composta majoritariamente por materiais friáveis (próximo a 60%), sendo itabiritos friáveis, filitos e cangas friáveis, e em menor proporcao por itabiritos, hematitas e quartzitos compactos, conforme exposto na Tabela 1.

Na mina em estudo apresenta-se problemas com a geracao de blocos denomin ados matacóes, que são fragmentos com próximo a 1,0 ou 2,0 m. Estes fragmentos influenciam na baixa produtividade e altos custos na cadeia de producáo de desmonte a britador primario.

Tabela 1. Ocorrência de litologias friável, semicompacta e compacto na mina em estudo.

IF: Itabirito friável; IGO: Itabirito geotitico; HF: hematita friável; ISC: Itabirito semicompacta; HSC: hematita semicompacta; IC: Itabirito compacto; HC: hematita compacta

Entre a cava da mina e a comunidade vizinha, as litologias ocorrem longitudinalmente com predomínio de Itabirito Silicioso compacto (azul escuro) a friável (azul claro), Itabirito argiloso (marrom) e quartzito (amarelo), como visto na Figura 1. Topograficamente, a cava da mina está ñas cotas de 860 a 1020 mea comunidade vizinha está a 760 m, existindo uma falésia com altura de 100 a 260 m, que forma uma face livre e influência na importante atenuacao das vibracóes.

Figura 1. Litologias que ocorrem entre a mina e a comunidade vizinha.

 

3 Criterios de Seguranca para Estruturas de Construcao Civil

Na literatura é possível identificar diversas normas de referência para análise de criterio de seguranca de vibracóes em relacao a estruturas civis. Na Tabela 2 estão listadas algumas importantes normas sobre o tema.

Tabela 2. Normas de Seguranca para Vibracóes em relacao a Estruturas Civis.

Dentre as normas mais restritivas, temos a AS 2187, DIN 4150 e a NP 2074, que em geral recomendam limites de frequências iguais ou inferiores a 10 Hz, e padrees de PPV (mm/s) de 1,5 a 3,0 mm/s para tipos de estrutura sensíveis de 3,0 a 10,0 mm/s para estruturas correntes e de 6,0 a 25,0 mm/s para estruturas reforjadas.

Entre as normas mencionadas, a norma Portuguesa NP 2042:2015 é mais conservadora.

Desta forma, esta norma será considerada para avaliacáo dos efeitos das vibracóes geradas pelos desmontes na comunidade vizinha a mina, particularmente nas edificacóes mais próximas. Para a avaliacáo dos possíveis impactos na percepcáo de conforto humano foram consideradas Norma AS 2187 ( Tabela 3) e a BS 64722-2 (Tabela 4).

Tabela 3. Norma AS 2187 na sua secáo J4.2 sobre incomodidade humana.

Tabela 4. Norma Britânica BS 6 472-2 sobre incomodidade humana.

 

4 Parâmetros Medidos in situ e Modelos de Atenuacao

O estudo baseia-se em 206 eventos medidos ente os anos de 2016 a 2024. Após a devida validacáo dos dados, foi determinado o modelo de atenuacao integrando 95% dos dados (Equacáo 1), a partir do modelo de 50% com R² maior que 80% (Figura 2).

PVS = 124,99 Q^0.55D^1.10                   (1)

Onde: PVS é avelocidade resultante das componentes pico de vibracóes em três direciones (mm/s); Q é a carga explosiva por espera (kg/espera); D a distancia entre o local de detonacáo da carga explosiva e local de mediacao (m).

Figura 2. Caracterizacáo do modelo de atenuacao entre a cava de Fazendão e a comunidade de Morro de Água Quente

Figura 3. Frequência das vibracoes medidas por causa de vibracoes induzidas nos desmontes na mina de Fazendão

As frequências medidas durante as referidas campanhas de caracterizacáo sísmica entre a cava da mina e a comunidade vizinha resultaram 0,8 a 12,5 Hz, com frequência de dominante na faixa de 2 a 10 Hz (Figura 3).

Por outro lado, com base nos 206 eventos medidos e correlacionando o PVS com as três componentes das velocidades pico de partículas (PPV) foi possível caracterizar que a componente longitudinal (PPV_l) apresenta melhor correlacáo (Figura 3).

Figura 4. Correlacáo de PVS com PPV baseado em 206 eventos medidos.

Aplicando a equacao resultante da correlacao entre PVS e PPV_l (Figura 4) na Equacao (1) se obtém o modelo de atenuacáo em funcáo de PPV_l (Equacáo 2).

PPV_l = 113,32 Q^0.55D^-1.10-0.23                   (2)

Adicionalmente so dados da campanha de monitoramento sísmico realizado e 2016 foram usados para gerar mapas de isovalores para avaliacao da propagacao das ondas vibratorias em mm/s (Figura 5) e da pressão acústica em dB (Figura 6).

Figura 5. Mapa de isovalores de vibracoes.

Figura 6. Mapa de isovalores de pressão acústica.

 

5 Avaliacao dos Possíveis Impactos das Vibracoes dos Desmontes na Mina

5.1 Avaliagao histórica dos possíveis impactos no bangalô B11

Para avaliacao dos possíveis impactos nas estruturas civis na comunidade na vizinhanca da mina, será avaliado a estrutura denomidada bangalô 11 (B11), que está localizada a uma distancia de 1000 m do extremo norte da cava atual da mina em estudo, e a uma distancia de 502 m dos limites da cava final, conforme pode ser visto no ponto em vermelho identificado na Figura 7.

Figura 7. Localizado do bangalô B11 em relacáo a cava da mina.

O bangalô B11, é urna estrutura montada sobre pilares de concreto armado em processo de deterioracao, reforjados com madeira, (Figura 8, c e d), e com piso em azulejos com aspecto de deslocamento vertical e fissuracao (Figura 8 a) assim como presenca de fissuras no bangalô (Figura 8 b).

Figura 8. Caracterizacáo do bangalô B11.

No contexto da norma NP 2042:2015 esta estrutura pode ser considerada como estrutura corrente, para o qual o valor de vibracao de partículas pico admissível é de 3 mm/s.

Para avaliar o possível dano ou impacto no bangalô B11, considerase a distancia de 1000 m, que corresponde a distancia entre este bangalô e a borda da zona norte da cava da mina.

Para a avaliacao dos possíveis níveis de PPV_l (mm/s) que teriam atingido o bangalô B11, foi utilizada a Equacao (2), para, a parti de dados históricos dos desmontes realizados nos anos de 2020 a 2023, estimar os níveis de vibracóes induzidas que teriam atingido o referido bangalô (Fig. 9).

Os valores de vibracáo pico de partículas (PPV_l) mais altos que teriam atingido o bangalô B11 variam de 2,1 mm/s a 3,1 mm/s, que correspondem a detonacáo de 828 kg a 1600 kg por espera, respectivamente, conforme visto na Tabela 5.

Figura 9. Possíveis PPV_l que teriam atingido o bangalô B11 entre os anos 2020 a 2023.

Comparando com o padrão adotado de 3 mm/s, podese concluir que um único evento que ultrapassou o padrão adotado é no desmonte realizado com carga explosiva de 1600 kg/retardo no ano 2023.

Tabela 5. Valores máximos de PPV_l que teria atingido o B11 entre os anos 2020 a 2023.

Com a finalidade de validar os valores simulados para o nível vibratorio no bangalô B11, foi realizada uma medicáo em campo de um evento ocasionado por uma desmonte a 1100 m e com uma carga explosiva de 400 kg/retardo. Como resultado foi medida uma vibracáo de 0,32 mm/s no chão (Figura 10 a) e 0,36 a 0,38 mm/s no piso superior do bangalô (Figura 10 b).

Figura 10. Monitoramento do nível vibratorio medido no bangalô B11

5.2 Avaliagao depossíveis vibragoes no futuro cenário da lavra até a cava final

Na zona Sudoeste e da comunidade vizinha a Mina tem-se uma Pousada, onde existem 12 bangalôs (Figura 11), dos quais, um é o B11. A distancia crítica entre o grupo dos bangalôs existentes na comunidade de Morro de Água Quente, acontecerá quando se realizem as detonacóes na zona da cava afinal (Fig. 7), pelo que será o momento crítico para a aplicacao de desmontes com controle de vibracóes para evitar os eventuais impactos na seguranca das estruturas e a incomodidade humana. Nesse sentido as distancias entre a cava final e os bangalós é importante para realizar as respectivas previsóes (Tabela 6).

Figura 11. Localizado da Pousada com os 12 bangalôs na comunidade vizinha a Mina

Tabela 6. Distâncias entre a zona Norte da cava final da Mina e os 12 bangalôs

Para a vibracao pico de partículas admissível de 3 mm/s e aplicando a Equacáo (2) é possível obter a Equacáo (3) que permite determinar a carga explosiva máxima a detonar na zona Norte da cava final em relacáo a cada um dos 12 bangalôs.

Q_max = 0,001552. D²                         (3)

Aplicando a Equacáo (3) para diferentes distancias, foi identificado que a 1000 m de distancia dos bangalôs, é possível detonar cargas de até 1552 kg por retardo, valor que diminui gradualmente até 334 kg por retardo a uma distancia de 464 m, que é equivalente a menor distancia entre os bangalôs e o limite da cava final da mina(Fig. 12).

Figura 12. Carga máxima por espera admissível para desmonte realizado atualmente (> 1000 m) e os que serão realizados no futuro até a cava final.

Sabendo que as detonacóes nos desmontes com explosivos no processo de lavra na cava da Mina causam ondas vibratorias que se propagam no sentido dos bangalôs na comunidade vizinha, o primeiro bangalô influenciado será o de número 12 que está localizado a 464 m da cava final. Desta forma, os desmontes que serão executados nesta zona não deverão ultrapassar a carga de 334 kg por espera. Estando os restantes 11 bangalôs a distancias maiores a 464 m, estes estarão protegidos quando utilizado uma explosiva por espera de 334 kg, como pode ser visto na Figura 13

Figura 13. Carga máxima por espera admissível relacionado com cada um dos 12 bangalôs.

Para a avaliacáo dos possíveis impactos a incomodidade humana na comunidade vizinha, foram utilizadas as normas AS 2187 e BS 64722-2, e considerado um PPV limite de 2 mm/s. Aplicando a

Equacáo (3), e tomando como referência a distancia entre a zona norte da cava final e o bangalô 12, será possível usar um máximo de 170 kg por retardo, como pode ser visto na

Figura 14. Carga máxima por espera admissível para evitar incomodidade humana na comunidade vizinha a Mina.

 

6 Conclusoes

Com cargas explosivas detonadas, durante os anos 2020, 2021, 2022 e 2023, na cava da Mina e a uma distancia maior da 1000 m dos bangalôs localizadas na comunidade vizinha, ter-se-ia gerado PPV_l máximos de 2,1 mm/s a 3,1 mm/s, que correspondem a detonacao de 828 kg a 1600 kg por espera, respectivamente, somente em 7 eventos, sendo ligeiramente maior a 3 mm/s só um único evento. Para evitar a incomodidade humana, quando atingirem a cava final na futura lavra da Mina, é recomendável uma carga máxima de 170 kg por retardo.

 

7 Referências

[1] Zorzal, C. B., F. L. dos Santos, J. M. da . Silva, and R. de F. . Souza. "Prediction of Blast-Induced Ground Vibration Using Artificial Neural Networks". Research, Society and Development, vol. 11. Sept. 2022.        [ Links ]

[2] Faramarzi, F., Farsangi, M. A. E., Mansouri, H. Simultaneous investigation of blast induced ground vibration and air blast effects on safety level of structures and human in surface blasting. International Journal of Mining Science and Technology, Volume 24, Issue 5. 2014.        [ Links ]

[3] Navarro Torres V.F., Silveira L.G.C., Lopes P.F.T., De LimaH.M. Assessing and controlling of bench blasting-induced vibrations to minimize impacts to a neighboring community. Elsevier - Journal of Cleaner Production. v.187 p.514-524, 2018.

[4] Associacao Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR 9653: Guia para avaliacao dos efeitos provocados pelo uso de explosivos nas mineracóes em áreas urbanas - Procedimento. 2018.        [ Links ]

[5] Siskind D.E., Stagg M.S., Kopp J.W. and Dowding C.H. Structure Response and Damage Produced by Ground Vibrations from Surface A conclusão do parágrafo anterior, permite afirmar que os desmontes realizados de 2020 a 2023, não foram causantes dos danos existentes no bangalô B11 nem geraram incomodidade humana. Para evitar os riscos de possíveis danos estruturais nos bangalôs e nas outras estruturas, quando atingirem a cava final na futura lavra da Mina, é recomendável o uso de uma carga máxima de 334 kg por retardo. Foi constatado que não existe impacto á comunidade por causa da pressão acústica, devido a que o valor máximo atingiria 112 dB sendo o valor admissível de 134 dB. Blasting, RI 8507. U.S. Bureau of Mines, 1980. Washington, D.C.        [ Links ]

[6] DEUTSCHE NORM (DIN 4150). Structural vibration in buildings - effects on structures. 1986.        [ Links ]

[7] Australian Standard AS 2187.2:2006, Explosives - Storage and use, Part 2 - Use of explosives (AS 2187Part2).        [ Links ]

[8] ESTEVES, J.M. Project for updating the portuguese standard NP2074 (1983): Assessment of the influence of vibrations caused on buildings due to blasting or similar forces. 1994. EXPLOSIVES 94 - CONFERENCE PROCEEDINGS - University of Leeds, U.K. -The Institute of Explosives Engineers. The European Federation of Explosives Engineers & The University of Leeds Department of Mining & Mineral Engineering. p. 27-30.        [ Links ]

[9] BS-6472 - 1992. Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings (1Hz to 80Hz). British Standard        [ Links ]

 

Artículo recibido en: 29.04.2024

Artículo aceptado: 20.05.2024