Noções Básicas de Dimensionamento de Frotas para Mineração

Neste artigo vou abordar alguns dos principais aspectos no dimensionamento de equipamentos para lavra a céu aberto.

O dimensionamento de frotas de mineração requer uma visão sistêmica do planejamento de lavra de médio e longo prazos aliado ao conhecimento dos principais equipamentos de mineração.

O ponto de partida para o dimensionamento é conhecer algumas informações mínimas sobre o planejamento de médio e longo prazo da mina que será objeto do estudo. É importante conhecer as produções (movimentações) requeridas para os próximos 5-10 anos.

O investimento em equipamentos de mina é expressivo e não é possível utilizar cenários inferiores a 5 anos, sendo que o ideal são prazos iguais ou superiores a 10 anos.

Um conceito importante para inicio do dimensionamento é o conceito de medição de volume de material. Existem dois tipos de volumes:

1. Metros Cúbicos no Banco (ou jardas cúbicas) - Representa o volume de material em repouso no seu estado natural ("In situ"), como encontrado na natureza - Na bancada a ser lavrada.

2. Metros Cúbicos Soltos (ou jardas cúbicas) - Representa o volume de material solto, ou seja, o volume de material após desmonte da bancada a ser lavrada. O desmonte da bancada pode ser mecânico ou detonação.

Basicamente, a relação entre as duas medidas de volume chamamos de "Empolamento". A fórmula que expressa o empolamento é:

1 + empolamento = Volume cúbico solto / volume cúbico no banco

O empolamento típico é da ordem de 30%, entretanto, este valor pode variar drasticamente para cada tipo de material.

Figura 01 - Fator de empolamento

Outro conceito importante para o dimensionamento é a densidade. A densidade também pode ser medida no banco (material "in situ") ou no material solto. Para o dimensionamento de frotas, precisamos das densidades dos materiais soltos. Embora para o dimensionamento de escavadeiras hidráulicas possa ser requerido a densidade do material no banco.

Normalmente a densidade é medida em toneladas métricas por metro cúbico, entretanto, são comuns outras unidades de medida, principalmente toneladas curtas por jarda cúbica. Este é um ponto de atenção, pois uma tonelada métrica é igual 1,10231 toneladas curtas.

Alguns exemplos de densidades:

• Normalmente a densidade média do minério de ferro é 2,7 tons/m3, entretanto, na lavra podem ser encontrados materiais com densidades próximas a 4,0 tons/m3 (Hematita Compacta) e da ordem de 2,0 tons/m3 (Itabirito friável). mesmo estes materiais estão sujeitos a vários fatores, como litologia, % de ferro contido, etc.

• A densidade média do minério de cobre é 1,6 tons/m3. Esta densidade é ainda mais variável, pois o cobre é um metal nobre e é encontrado na natureza em teores menores do que o minério de ferro. Dessa forma, a variabilidade de densidades para o cobre é ainda maior.

Figura 02 - Tabela de densidades de materiais

Este conceito reforça a necessidade de um correto alinhamento com o planejamento de lavra. Normalmente durante a etapa de análise da mina (projetos "Greenfield") ou na avaliação da lavra, são realizadas campanhas de sondagem.

Nestas campanhas podem ser determinadas as litogias e caracterizações dos materiais a serem lavrados, sejam eles minérios ou estéreis. Esta informação será crucial para avaliação dos volumes e densidades a serem lavrados.

Figura 03 - Exemplo de testemunho de sondagem

Antes de iniciarmos os cálculos de frota, precisaremos também avançar na determinação das DMT's (distâncias médias de transporte). Em estudos preliminares normalmente o planejamento de lavra possui dados limitados, o que reflete em poucas DMT's para tipo de material / frente de lavra.

Mesmo assim, quanto maior for detalhamento, melhor será a precisão do estudo. Informações detalhadas sobre cada rota principal por onde o minério / estéril será transportado serão determinantes para a definição do tamanho e quantidade de caminhões fora de estrada.

De posse dos dados de volumes a serem lavrados, densidade dos materiais e principais DMT's, poderemos iniciar os primeiros cálculos de dimensionamento.

A definição da frota de equipamentos é determinada pelo custo por tonelada e pelo valor presente líquido.

Por este motivo a recomendação é iniciar os estudos com três portes de equipamentos, por exemplo: Caminhões de 400 toneladas, 240 toneladas e 150 toneladas.

O tamanho do caminhão também definirá o tamanho do equipamento de carga. Normalmente para uma performance ótima, os principais operadores entenderam que o equipamento de carga deve carregar o caminhão com um número de passes entre 3 e 6.

Embora exista esta referência, outros fatores podem contribuir para determinação do equipamento de carga, como por exemplo: necessidade de escavação, equipamentos de limpeza de praça, "Fleet Macth", padronização de frota, etc. Por enquanto vamos nos ater a parte conceitual, pois os resultados são individuais e cada estudo de dimensionamento está sujeito as variáveis locais que podem ser determinantes.

Mesmo assim, outro conceito importante no estudo é o conceito de "Fleet Match". a fórmula é:

FM = (TC OHT x N OHT's)/(TT OHT x N EC)

Onde:

TC OHT = Tempo de carregamento de caminhões fora de estrada

N OHT's = Número de caminhões fora de estrada

TT OHT = Tempo de transporte de caminhões fora de estrada

N EC = Número de equipamentos de carga

Este é um exemplo de cálculo de Fleet Match para frotas homogêneas. Para frotas heterogêneas é necessário utilizar a formula de Burt, C. N. & Caccetta.

O resultado que a fórmula apresenta é:

• Para valores acima de 1,0, significa que não existe tempo de espera para o equipamento de carga, ou seja, após o término de carregamento de um caminhão, o próximo já terá chegado a praça de carregamento e estará aguardando carregamento.

• Para valores abaixo de 1,0, significa que não existe tempo de espera para o caminhão fora de estrada. Sempre que ele chegar na praça de carregamento, o equipamento de carga estará aguardando para carregá-lo.

Para dimensionamento de frota o ideal é que o valor se aproxime de 1,0. Entretanto, outros fatores podem influenciar o dimensionamento, como por exemplo: disponibilidade física, utilização, disponibilidade de frente de lavra, estratégia de operação, etc.

Um outro capítulo do dimensionamento se refere ao fator de enchimento das caçambas e básculas. Normalmente os fabricantes dimensionam seus equipamentos para uma densidade entre 1,5 e 1,8 toneladas / m3, levando em consideração um fator de enchimento de 100%.

Esta densidade é utilizada pois abrange a grande maioria dos materiais, entretanto, ajustes são necessários pois existem diversas situações específicas, como por exemplo: a densidade do carvão mineral é normalmente inferior a 1,0 tons /m3. Dessa forma, os equipamentos ficam sobrecarregados em capacidade volumétrica e não em capacidade de carga (Payload).

O fator de enchimento de 100% considera a norma SAE 2:1 (Normas SAE J296 / SAE J67, SAE J742 ), ou seja, o angulo de repouso do material será de 26,6 graus, formando um cone perfeito. Na prática, esta norma não corresponde aos dados de campo, portanto, para que um operador / equipamento consiga um fator de enchimento de 100%, é necessário que as condições sejam extremamente favoráveis.

Figura 04 - Fator de enchimento

De qualquer maneira, para o correto dimensionamento dos equipamentos (Match) precisamos considerar o fator de enchimento máximo (100%) para uma correta análise de sobrecarga. Nas simulações de produtividade devemos utilizar a experiência dos operadores / engenheiros de mina para determinar o fator de enchimento ótimo para cada tipo de material.

Como informamos anteriormente, mesmo com todos os cálculos matemáticos para determinação da frota necessária para determinada movimentação de material, a definição será baseada em custo. O resultado do dimensionamento será a frota que apresentou o menor custo, sendo que para apresentar este resultado, será necessário dispender boa parte do tempo no correto cálculo dos custos de propriedade e operação.

Os custos de propriedade referem-se aos montantes a serem pagos para aquisição de cada modelo / tipo de equipamento, acrescidos de fretes, seguros, impostos etc. Normalmente, em função dos valores envolvidos, são operações que envolvem financiamentos de longo prazo, alguns com carência de pagamento. Também é necessário um conhecimento básico de depreciação.

Já os custos de operação envolvem a discriminação dos principais gastos para manutenção dos equipamentos, tais como: diesel, operador, pneus, material de desgaste, peças, componentes reserva, reformas, etc.

O Revendedor (Dealer) do equipamento pode auxiliar na obtenção de parte desta informações. Para lavras em operação, pode-se utilizar dados históricos como base de informação.

Existem outros pontos de atenção para o dimensionamento de frotas, mas precisaríamos de um espaço maior para descrevê-los, bem como uso de fórmula e gráficos. Por exemplo: dimensionamento do pneu a ser utilizado pelo caminhão fora de estrada - no dimensionamento de frota é possível estimar o TKPH (Tonelada Quilômetro por hora) dos pneus dos caminhões, que será uma referência para inicio do dimensionamento dos pneus - um dos itens mais relevantes do custo de um caminhão fora de estrada.

Figura 05 - Fórmula Cálculo TKPH

Embora este resumo não consiga abordar todas as variáveis que devem ser levadas em consideração para um correto dimensionamento de frotas para mineração a céu aberto, sua principal finalidade é abordar um tema de grande importância para as operações de lavra e promover uma discussão técnica sobre o assunto.

Caso você tenha interesse em contribuir para este assunto, ou ainda, buscar maiores detalhes, deixe seu comentário ou entre em contato.

Referências:

• CATERPILLAR® PERFORMANCE HANDBOOK a Cat® publication by Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, U.S.A.FEBRUARY 2007

• SAE J 296 Excavator, Mini-excavator, and Backhoe Hoe Bucket Volumetric Rating(Cancelled Jan 1999)

• Burt, C. N. & Caccetta, L. (2007), `Match factor for heterogeneous truck and loader fleets', International journal of mining, reclamation and environment 21, 262-270.