Comportamento mecânico de rejeitos de mineração de cobre a altas tensões e grandes deformações

Abstract

A mineração de cobre ocupa posição estratégica no setor mineral em razão de sua relevância econômica e de sua aplicação em cadeias produtivas ligadas à eletricidade e à transição energética. Como consequência do beneficiamento desse minério, são gerados grandes volumes de rejeitos, cujo comportamento geotécnico precisa ser compreendido para o projeto e a avaliação de estruturas de disposição mais seguras. Nesse contexto, esta tese investigou o comportamento mecânico de um rejeito de mineração de cobre em ampla faixa de tensões e deformações, com ênfase na influência das condições iniciais de compactação, na resposta sob elevados níveis de confinamento, na mobilização da resistência residual e na quebra de grãos. O material foi caracterizado sob os aspectos físico, químico, mineralógico, ambiental e morfológico, e foram definidos quatro estados de compactação de referência. O programa experimental envolveu ensaios de condutividade hidráulica, compressibilidade, compressão triaxial drenada em baixas tensões efetivas de confinamento (entre 50 e 200 kPa) e em tensões de consolidação superiores entre 1,2 e 120,0 MPa, além de ensaios de ring shear sob tensões normais efetivas entre 50 e 200 kPa. Complementarmente, foram realizadas análises pós-ensaio por granulometria convencional, QICPIC e microscopia eletrônica de varredura. O rejeito estudado foi classificado como areia siltosa não plástica, com partículas predominantemente angulosas a subangulosas e massa específica real dos grãos igual a 2,913 g/cm³. Os resultados mostraram que, em baixas tensões e pequenas a médias deformações, a compactação inicial controla de forma marcante a rigidez, a resistência de pico, a resposta volumétrica, a dilatância e o comportamento pós-pico. Com o aumento do confinamento, essa influência diminui, enquanto passam a predominar mecanismos compressivos, com resposta mais contrativa, redução da influência da condição inicial sobre os estados finais e intensificação progressiva da quebra de grãos, mais evidente a partir de 12,0 MPa. A interpretação no arcabouço do estado crítico indicou um ângulo de atrito em torno de 34,6°. A Linha de Estado Crítico linear mostrouse útil como referência média, mas não representa de forma uniforme toda a faixa de tensões analisada, sendo as formulações curvas mais compatíveis com os resultados em tensões elevadas. Nos ensaios de ring shear, a resistência residual mostrou-se predominantemente friccional, com ângulo de atrito residual em torno de 30° e baixa sensibilidade à condição inicial de moldagem na faixa de tensões investigada. Em conjunto, os resultados mostram que a resposta do rejeito não pode ser interpretada por um conjunto único de parâmetros ao longo de toda a faixa de tensões e deformações analisada. Para tal, o presente estudo fornece subsídios relevantes para o projeto e a avaliação de estruturas de disposição compactadas, para a seleção de parâmetros em diferentes estágios de mobilização da resistência e para a compreensão dos efeitos da quebra de grãos em rejeitos de mineração.

Copper mining plays a strategic role in the mineral sector due to its economic relevance and its application in electricity-related supply chains and the energy transition. As a consequence of copper ore processing, large volumes of tailings are generated, and their geotechnical behaviour must be understood to support the design and assessment of safer disposal structures. Within this context, this thesis investigated the mechanical behavior of a copper mine tailings over a wide range of stresses and deformations, with emphasis on the influence of initial compaction conditions, the response under high confinement levels, the mobilisation of residual strength, and grain breakage. The material was characterised in terms of its physical, chemical, mineralogical, environmental, and morphological properties, and four reference compaction states were defined. The experimental programme included hydraulic conductivity, compressibility, drained triaxial compression tests at low effective confining stresses (between 50 and 200 kPa) and at higher consolidation stresses ranging from 1.2 to 120.0 MPa, as well as ring shear tests under effective normal stresses between 50 and 200 kPa. Post-test analyses were also performed using conventional grain-size distribution, QICPIC, and scanning electron microscopy. The studied tailings were classified as a non-plastic silty sand, with predominantly angular to sub-angular particles and a specific gravity of solids equal to 2.913 g/cm³. The results showed that, at low stress and small to medium strains, initial compaction strongly controls stiffness, peak strength, volumetric response, dilatancy, and post-peak behaviour. As confinement increases, this influence decreases and compressive mechanisms become dominant, leading to a more contractive response, reduced influence of the initial condition on the final states, and progressive grain breakage, which became more evident from 12.0 MPa onwards. Interpretation within the critical state framework indicated a friction angle of around 34.6°. The linear Critical State Line proved useful as an average benchmark, but it does not uniformly represent the entire range of stresses analyzed, with curved formulations being more compatible with the results at elevated stresses. In the ring shear tests, the residual response was predominantly frictional, with a residual friction angle of about 30° and low sensitivity to the initial moulding condition within the investigated stress range. Overall, the results show that the behavior of the studied tailings cannot be described by a single set of parameters across the entire range of stresses and deformations analyzed, providing relevant support for the design and assessment of compacted tailings disposal structures, for parameter selection at different stages of strength mobilization, and for understanding the effects of grain breakage in mine tailings.