Research on Optimization of Radial Uncoupled Charge Parameters Based on the Mechanical Characteristics of Step-Type Partitioning

Resumo Técnico: Otimização dos Parâmetros de Carga Radial Desacoplada Baseada nas Características Mecânicas de Particionamento por Etapas

Definição do Problema
Na mineração de granito a céu aberto, as estruturas de carga totalmente acopladas tradicionais frequentemente resultam em uma concentração excessiva de energia na parede do furo. Isso cria uma "zona de esmagamento" que consome energia significativa, levando a uma eficiência de fragmentação pobre, altas taxas de partículas finas (finos) e uma distribuição desigual do tamanho dos blocos. Embora o carregamento desacoplado (inserindo um meio entre o explosivo e a parede do furo) seja conhecido por atenuar as ondas de choque e reduzir os finos, os métodos tradicionais que utilizam detritos de rocha ou lacunas de ar sofrem frequentemente de distribuição imprecisa de energia, problemas de mistura e falta de adaptabilidade às variadas restrições de tensão encontradas em diferentes seções de um banco de lavra (alta restrição na base vs. baixa restrição no topo). O desafio específico abordado é como otimizar os parâmetros de carga radial desacoplada usando explosivos de emulsão mista para controlar a taxa de geração de finos enquanto se garante uma fragmentação uniforme através de variadas condições de intemperismo da rocha.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem de três frentes combinando análise teórica, simulação física e testes de campo industriais em uma mina de granito:

1. Análise Teórica e Comparativa: Os autores analisaram os mecanismos de transferência de energia de cargas acopladas versus radialmente desacopladas, focando na atenuação da tensão de detonação de pico e no papel da lacuna anular na liberação de energia.
2. Simulações em Tubo Transparente: Um tubo de policarbonato transparente de 4,0 metros (140 mm de diâmetro) foi utilizado para simular furos de detonação verticais. Três testes específicos foram conduzidos para avaliar um espaçador radial de diâmetro variável autodesenvolvido:
   • Embutimento por queda livre: Avaliando a estabilidade do espaçador e a profundidade de embutimento no cascalho de rocha.
   • Mistura de carregamento e preenchimento: Avaliando a segregação de explosivos e a mistura com detritos de rocha.
   • Comportamento de afundamento: Observando a estabilidade do espaçador durante o carregamento de explosivos primários e secundários.
3. Testes Industriais de Campo: Testes de detonação comparativos foram realizados em dois bancos de granito com diferentes graus de intemperismo: pouco intemperizado (+30 m) e moderadamente intemperizado (+45 m).
   • Grupo de Controle: Utilizou o intervalo de carregamento com cascalho de rocha tradicional.
   • Grupos de Teste: Utilizaram o novo espaçador de diâmetro variável para criar estruturas radialmente desacopladas.
     • Esquema I: 125 mm de diâmetro na base (4 m) e 110 mm de diâmetro na seção superior (9 m).
     • Esquema II: Uma estrutura de três estágios com 125 mm (base, 4 m), 110 mm (meio, 4 m) e 90 mm (superior, 5 m).
   • Coleta de Dados: A análise pós-detonação incluiu análise de imagem e ensaio de peneiramento para determinar a distribuição de tamanho de fragmentos, razão de finos (<5 mm), razão de matacões (>1000 mm) e morfologia da pilha de fragmentos (muckpile).

Principais Contribuições

• Desenvolvimento de um Espaçador de Diâmetro Variável: O estudo introduziu um espaçador mecânico autodesenvolvido capaz de criar uma estrutura de carga radialmente desacoplada e axialmente contínua com diferentes diâmetros ao longo da profundidade do furo. Isso permite o controle preciso do coeficiente de desacoplamento em zonas específicas.
• Identificação de Limites de Adaptação Litológica: A pesquisa estabeleceu que o coeficiente de desacoplamento ideal não é universal, mas depende do intemperismo da rocha. Identificou-se que o granito pouco intemperizado (duro, baixa diaclase) é altamente sensível à energia de impacto inicial, enquanto o granito moderadamente intemperizado (fraturas pré-existentes) pode utilizar o "efeito de cunha gasosa" para compensar a menor energia inicial.
• Distribuição de Energia em Gradiente Otimizada: O estudo demonstrou que ajustar a estrutura de carga ao gradiente de tensão "base forte, topo fraco" de um banco de lavra é crítico. Uma estrutura que fornece um aumento moderado de energia na base e um enfraquecimento moderado no topo produz resultados superiores em comparação com o desacoplamento uniforme ou excessivamente agressivo.

Resultados

• Descobertas de Simulação: Os testes no tubo transparente confirmaram que o espaçador mecânico evita a mistura de explosivos com o cascalho de rocha (um problema comum com o espaçamento de detritos de rocha tradicional) e mantém a estabilidade estrutural durante o carregamento.
• Resultados dos Testes de Campo (Esquema I):
  • Consumo de Explosivo: Reduziu o consumo específico de explosivo em mais de 16% (16,3% para granito pouco intemperizado, 16,2% para moderadamente intemperizado) em comparação com o grupo de controle.
  • Fragmentação: Alcançou uma distribuição uniforme do tamanho dos blocos. No granito pouco intemperizado, a proporção de finos (<1 cm) caiu de 6,84% (controle) para 3,41%. No granito moderadamente intemperizado, os finos caíram de 8,93% para 5,63%.
  • Qualidade da Pilha de Fragmentos: Produziu uma pilha moderadamente solta, favorável para escavação e carregamento, sem acumulação significativa de grandes blocos ou "rocha guarda-chuva" (umbrella rock).
• Resultados dos Testes de Campo (Esquema II - Desacoplamento Excessivo):
  • Embora o Esquema II (coeficiente de desacoplamento superior ~1,55) tenha reduzido ainda mais o consumo de explosivo (em cerca de ~26%), resultou em energia insuficiente para as seções superiores do granito pouco intemperizado. Isso levou a um aumento significativo de grandes blocos (3,91%) e à formação de "rocha guarda-chuva" ao longo da crista.
  • O granito moderadamente intemperizado mostrou melhor tolerância a este coeficiente de desacoplamento mais alto devido às suas fraturas pré-existentes, embora as taxas de grandes blocos ainda tenham aumentado.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a estrutura de carga radialmente desacoplada proposta, especificamente a configuração com carga de 125 mm na base e espaçadores de 110 mm no meio/topo, oferece uma solução tecnicamente superior para a detonação de granito. Ao controlar efetivamente o mecanismo de distribuição de energia de "redução de pico e extensão de gás", este método:

1. Reduz os Finos: Diminui significativamente a taxa de pulverização, abordando o problema do esmagamento excessivo comum nas cargas acopladas tradicionais.
2. Melhora a Eficiência: Reduz o consumo específico de explosivos em mais de 16%, mantendo ou melhorando a qualidade da fragmentação.
3. Aumenta a Adaptabilidade: Fornece uma referência técnica para otimizar os parâmetros de detonação com base no grau de intemperismo da rocha, garantindo que o suprimento de energia corresponda às restrições mecânicas específicas da massa rochosa.

Os autores concluem que esta abordagem equilibra efetivamente o compromisso entre a geração de finos e a formação de matacões, oferecendo um caminho viável para operações de detonação eficientes e de baixo consumo.