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283REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(3): 283-289, jul. set. 2009

Tiago Webber et al.

Mineração

Estimativa de parâmetrosindicadores de qualidade decarvão a partir de perfilagem

geofísica

(Estimation of coal quality indicators usingborehole logging data)

ResumoA qualidade do carvão é, geralmente, estimada através da análise de testemu-

nhos obtidos em furos de sondagem com recuperação, que são custosos e conso-mem tempo. Perfilagem geofísica fornece uma medida indireta da qualidade docarvão inferida de algumas propriedades físicas lidas pela sonda. De todos osmétodos de perfilagem geofísica, a medida de radiação retroespalhada (gama-gama)é apropriada para identificar a camada de carvão e inferir qualidade ao mesmo. Essetrabalho estuda a possível correlação entre a radiação retroespalhada e o teor decinzas. Com os valores obtidos com a perfilagem geofísica e os teores de cinzasobtidos para os mesmos intervalos, foi possível construir um gráfico de correlaçãoe ajustar uma função. A função apresentou um alto coeficiente de correlação e umaceitável erro de estimativa auxiliando, na obtenção de informação a curto prazocom baixo custo e rapidez.

Palavras-chave: Carvão, perfilagem, qualidade.

AbstractCoal quality is commonly analyzed using cores obtained from diamond

drill holes, which are costly and time consuming. Geophysical logging provides

an indirect measurement of coal quality derived from some physical properties

logged by the probe. Among the geophysical logging methods, gamma back

scattering (gamma-gamma) is appropriate for identifying coal seams and for

inferring some coal quality parameters. This study identifies the possible

correlation between gamma-gamma readings and ash content. By using the logged

geophysical survey values plotted against the ash content, analyzed at the same

intervals, a scatter plot was constructed and a model adjusted. The derived model

showed a high correlation coefficient and acceptable estimation error,

recommending this practice for obtaining quick, low-cost information for mine

planning.

Keyword: Coal, borehole logging, quality.

Tiago Webber

Eng. de Minas, M.Sc, UFRGSE-mail: [email protected]

Paulo Salvadoretti

Eng.de Minas, Professor, Dr.,DEMIN, UFRGS

E-mail: [email protected]

Jair Carlos Koppe

Eng. de Minas, Professor, Dr.,DEMIN, UFRGS


João Felipe Coimba Leite

Costa

Eng. de Minas, Professor, Dr.,DEMIN, UFRGS


REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(3): 283-289, jul. set. 2009284

Estimativa de parâmetros indicadores de qualidade de carvão a partir de perfilagem geofísica

1. IntroduçãoA qualidade do carvão mineral é

estimada de acordo com certos parâme-tros físico-químicos como massa espe-cífica, poder calorífico, teores de cinzase enxofre e matéria volátil. Geralmente, aobtenção dos valores desses parâmetrosé conseguida mediante a análise labora-torial de amostras obtidas por sondagemcom recuperação de testemunhos. Essametodologia de aquisição de informa-ções é bastante confiável, porém o cus-to das sondagens é bastante elevado,uma vez que o planejamento de curtoprazo e o controle de teores de lavra re-querem um alto número de amostras. Ou-tro revés desse método de amostragemé a chance de ocorrerem baixas recupe-rações de material de sondagem (teste-munhos), impossibilitando a aquisiçãode amostras para análise.

A perfilagem geofísica é um méto-do de amostragem indireta muito eficazpara medições de grandezas físicas. Combaixo custo de operação e versatilidadeno manuseio, a perfilagem geofísica podeser realizada, concomitantemente, comas operações de lavra, proporcionandoresposta imediata do parâmetro medido.Basicamente, a perfilagem geofísica éexecutada em furos de sondagem oupoços, sejam eles feitos destrutivamen-te ou com recuperação de material. A fer-ramenta de perfilagem (geralmente lon-

gas hastes metálicas) é inserida no furoe começa a percorrer o mesmo. Duranteessa movimentação, são feitas as medi-das dos parâmetros de interesse (Figura1), que são apresentadas em forma degráficos (perfís geofísicos). Entre as di-versas ferramentas disponíveis na perfi-lagem geofísica, a mais indicada para usoem carvão é conhecida por perfil gama-gama ou gama retroespalhado.

Experiências mostraram que para sedirecionar um feixe de radiação gama paraum corpo-de-prova com massa específi-ca superior á 1 g/cm³, certas interaçõesocorrem entre a radiação e os elétronspresentes no material. Devido a essasinterações, uma parcela da radiação gamaincidente é absorvida pelo material eoutra é ricochetada para fora do corpo(retroespalhada). A taxa de radiação re-troespalhada está relacionada como amassa específica do material, pois a inte-ração do feixe ocorreu com os elétrons esabe-se que a quantidade de elétrons deum corpo é proporcional a sua massaespecífica. O fenômeno da interação en-tre radiação gama e elétrons obedece àsmesmas leis que regem o decaimento ra-dioativo, logo a relação entre massa es-pecífica e taxas de radiação retroespa-lhada apresenta um comportamento se-melhante a uma função exponencial ne-gativa (y = a.e-b.x). Portanto, conforme amassa específica de um material aumen-ta, partindo de 1 g/cm³, as taxas de radi-

ação retroespalhada devem diminuir ex-ponencialmente (Figura 2).

A unidade CPS (contagens por se-gundo) apresentada na Figura 2 é muitousada em perfilagem geofísica para re-presentar as taxas de radiação retroes-palhada, que representam uma desinte-gração a cada segundo.

A massa específica do carvão estárelacionada com o seu teor de cinzas, pois,quanto maior o teor de cinzas no carvão,maior a sua massa específica e, conse-qüentemente, menor a sua qualidade, re-duzindo o seu poder calorífico. Portantoé possível relacionar, diretamente, as ta-xas de radiação retroespalhada, obtidasatravés de um perfil geofísico, com teorde cinzas e poder calorífico. A Figura 3mostra um resumo das relações entre osparâmetros de interesse.

2. MetodologiaEsse trabalho se iniciou com uma

campanha de sondagens com recupera-ção de testemunhos. Foram realizadosquatro furos de diâmetro ZW (16 cm) ecom o material recuperado foi feita a des-crição das colunas litológicas e o materi-al carbonoso foi separado e destinado àanalise química para determinaçãoda massa específica e do teor de cin-zas. Os furos foram denominados CRZ-01, CRZ-02, CRZ-03 e CRZ-04.

Figura 1 - Execução da perfilagem geofísica de poço (Oliveira,

2005).

Figura 2 - Relação entre massa específ ica e radiação

retroespalhada (Hoffmann et al., 1982).


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A campanha de perfilagem geofísi-ca foi feita com a sonda de nome SWDS(Sidewall Density Sonde), que mede astaxas de radiação retroespalhada, emis-são de radiação gama natural e diâmetrodo furo. O feixe de radiação incidente éproveniente de uma fonte de Césio 137,que é preso na extremidade inferior daferramenta, e a captação da radiação re-troespalhada é feita por cintilômetrosdistribuídos ao longo da referida ferra-menta (Figura 4).

Conforme a Figura 4, existe um iso-lamento (geralmente feito de Chumbo)entre a fonte radioativa e o cintilômetro,para evitar que o mesmo capte raios gamaque não sofreram interações com a ma-téria.

Na Figura 5, observa-se um exem-plo de um perfil geofísico obtido com asonda SWDS.

A imagem mostrada na Figura 5pode ser dividida em duas partes. Nacoluna da esquerda, temos duas linhas,a de cor vermelha é o perfil de gama na-tural e a de cor verde é o comportamentoda parede do furo ou o diâmetro do mes-mo. Na coluna da direita, temos a medidade radiação retroespalhada pelos três cin-tilômetros presentes na ferramenta, a li-nha vermelha é o LSD (distante 31 cm dafonte radioativa), a azul, o HRD (afasta-do 26 cm) e a linha verde é o sinal doBRD (14 cm de afastamento).

Para realizar esse trabalho, foi es-colhido o sinal registrado pelo cintilô-metro LSD, que, por ser aquele que estámais afastado da fonte, apresenta valo-res mais constantes com o tempo de co-leta, isto é, em trechos do perfil que acu-sam carvão (alta taxa de radiação retro-espalhada) não teremos valores extremoscausados por materiais estranhos pre-sentes na camada de carvão (como piri-ta), que podem afetar o cálculo da médiade raios retroespalhados para a devidacamada de carvão.

Tendo em mãos as análises quími-cas, a descrição geológica dos furos eos perfis geofísicos, foi possível corre-lacionar a massa específica e a cinza dascamadas e ajustar a função que correla-ciona a massa específica com as taxas deradiação gama retroespalhada.

Figura 3 - Relação entre os parâmetros de interesse.

Figura 4 - Princípio da perfilagem de radiação retroespalhada.



O procedimento de ajuste se inicioucom a conciliação entre os dados geo-físicos e a informação da sondagem con-vencional. Na Figura 6, temos a colunalitológica de um furo ao lado do seu res-pectivo perfil geofísico, já com as cama-das de carvão em destaque.

Para cada intervalo de perfil geofí-sico, que indica uma camada de carvão,foi calculada a média das radiações re-troespalhadas, pois a análise laboratori-al dos testemunhos estimou a média damassa específica e do teor de cinzas paracada camada de carvão. A Tabela 1 mos-tra os resultados de laboratório e de per-filagem geofísica para o furo CRZ-01.

Espera-se que o gráfico de disper-são que compara os dados de massa es-pecífica e teor de cinzas com as taxas deradiação retroespalhada tenha um com-portamento exponencial negativo seme-lhante àquele apresentado pela Figura 2.

3. ResultadosPara comprovar a eficácia do méto-

do, os dados foram tratados da seguintemaneira:

i. A informação geofísica e laboratorialdos furos CRZ-03 e CRZ-04 foi utili-zada para construir as funções de es-timativa de massa específica.

Figura 5 - Exemplo do perfil obtido pela sonda SWDS.

Figura 6 - Conciliação entre o perfil geofísico e a coluna litológica de um furo já com as

camadas de carvão em destaque.

Tabela 1 - Resultados de análise de laboratório e perfilagem geofísica para o furo CRZ-01.


Tiago Webber et al.

ii. A função de calibração obtida foiaplicada aos dados geofísicos dosfuros CRZ-01 e CRZ-02 para estima-tiva das massas específicas.

iii. Feita a comparação entre as massaespecíficas laboratoriais e as massasespecíficas obtidas pelo ajuste paraos furos CRZ-01 e CRZ-02.

Seguindo os passos anteriormenteapresentados, o primeiro ajuste realizadofoi aquele que inclui os dados geofísicose de análise de laboratório dos furosCRZ-03 e CRZ-4. O gráfico de dispersãoobtido pode ser visto na Figura 7.

Como era esperado, a dispersãomostrada na Figura 7 é semelhante aocomportamento da função exponencialnegativa apresentada na Figura 2. Paramelhorar o ajuste, foram adicionadosmais dois pontos, que foram obtidos emtestes de laboratório: uma medida feitaem uma cuba com água e outra realizadaem um bloco de alumínio. Como se temconhecimento dos valores das massasespecíficas desses meios homogêneos(1 g/cm³ para a água e 2,5 g/cm³ para oalumínio), a adição deles na dispersãotorna o ajuste mais preciso.

A função ajustada sobre a disper-são da Figura 6 foi:

y = 84236,709*exp(-2,037*x) (1)

onde x é a massa específica do meio e y éa taxa de radiação retroespalhada.

Isolando a variável x (massa espe-cífica), temos:

x = (1/-2,037) * ln(y/84236,709) (2)

Com a função anteriormente apre-sentada, é possível estimar-se massasespecíficas em função das taxas de radi-ação retroespalhada. Agora, é possívelestimar-se as massas específicas das ca-madas de carvão presentes nos furosCRZ-01 e CRZ-02, usando a Equação 2aplicada às taxas de radiação medidaspela perfilagem geofísica executada nes-ses dois furos.

Para a estimativa dos teores de cin-zas, foi feito um ajuste sobre a disper-são, que compara as massas específicase teores de cinzas obtidos em laborató-rio para os carvões dos furos CRZ-03 e

CRZ-04. Como se sabe, esse dois parâ-metros possuem uma relação proporcio-nal, isto é, o aumento no valor de umimplica o crescimento do outro, portan-to será feito o ajuste de uma função line-ar sobre o gráfico de dispersão. A Figura8 trás a dispersão com o ajuste efetuado.

A função ajustada no gráfico daFigura 8 foi:

y = 60,804.x-58,218 (3)

onde y é o teor de cinzas e x é a massaespecífica.

Figura 7 - Gráfico de dispersão com os dados de massa específica de laboratório e

radiação retroespalhada dos furos CRZ-03 e CRZ-04.

Figura 8 - Gráfico de dispersão entre dados de massa específica e teor de cinzas

obtidos em laboratório para os carvões dos furos CRZ-03 e CRZ-04.



Isolando a massa específica naEquação 3, inserindo-a na Equação 2 eefetuando as devidas transformações,obteve-se:

y = -58,218-29,848.ln(x/84236,709) (4)

onde y é o teor de cinzas e x é taxa deradiação retroespalhada.

Com as equações 2 e 4, foi possívelse estimarem massas específicas e teo-res de cinzas para os carvões dos furosCRZ-01 e CRZ-02, tendo-se, como base,apenas as taxas de radiação retroespa-lhada medidas pela perfilagem geofísi-ca. Os resultados obtidos podem serobservados na Tabela 2.

De acordo com os valores da Tabe-la 2, foi obtido um erro absoluto médio,

para as estimativas de massa específicaigual a -0,02 g/cm³, e, para os teores decinzas, um erro absoluto médio de-1,73%. Esses valores resultam em umerro porcentual máximo de -1,14 %,para as estimativas de massa específica,e de -2,8 %, para as estimativas de teorde cinzas.

4. DiscussãoOs resultados mostram que a varia-

ção das taxas de raios gama retroespa-lhados está relacionada com a variaçãode massa específica das rochas, isto é,altas taxas de raios indicam baixas mas-sas específicas, enquanto que baixas ta-xas indicam altas massas específicas.Como a massa específica do carvão está

intimamente relacionada com o seu teorde cinzas, relacionou-se, diretamente, astaxas de radiação obtidas através de umperfil geofísico com o teor de cinzas en-contrado ao analisar o material recupe-rado do furo de sondagem que foi perfi-lado. Após, foi modelada a função querelaciona a radiação retroespalhada eteor de cinzas, calibrando o equipamen-to para obter, diretamente, o perfil doparâmetro escolhido, mesmo em furosdestrutivos, isto é, sem recuperação detestemunhos.

Foi observado que os valores paraas taxas de raios gama retroespalhadoscoletados em perfis geofísicos realiza-dos em furos de diâmetro ZW são supe-riores aos valores obtidos em perfis ge-ofísicos feitos em furos de diâmetro NW

Tabela 2 - Comparação entre as estimativas de massa específica e teor de cinzas para os furos CRZ-01 e CRZ-02.


Tiago Webber et al.

(7,6 cm). Isto ocorre devido à maior pre-sença de água entre a sonda e as pare-des do furo causada pelo maior diâmetrodo furo ZW e, como a água possui umamassa específica igual a 1 t/m3, ela apre-senta uma alta taxa de raios retroespa-lhados, que são captados pelos cintilô-metros, amplificando as taxas de raiosretroespalhados pelas formações rocho-sas. Logo as funções ajustadas para in-ferir os valores de massa específica e cin-zas se mostraram eficientes apenas nosperfis efetuados em furos de diâmetroZW (16 cm), pois, ao se perfilar um furode diâmetro NW foram obtidos valoresde massa específica e teor de cinzas in-coerentes com as formações litológicas.

Observa-se ser necessário que acalibragem seja feita sempre para umdiâmetro específico de sondagem e quea mudança no diâmetro implica, neces-sariamente foram um novo processo deajuste de função.

5. ConclusõesOs resultados são bastante promissores e viabilizam o uso da perfilagem ge-

ofísica para inferência de parâmetros indicadores de qualidade de carvão mineral.Mostrou-se um método versátil e de baixo custo, que diminui, consideravelmente, ocusto para amostragem e análise de informações de curto prazo. Adicionalmente, osfuros destrutivos (de desmonte, por exemplo) passaram a ser perfilados e sua infor-mação integrada aos demais dados via co-krigagem para estimativa do parâmetro deinteresse.

Um dos trabalhos futuros é modelar novas funções que se adaptem a diferen-tes diâmetros de furos.

6. AgradecimentosÀ CAPES pelo auxilio financeiro e à Copelmi Mineração Ltda pelo fornecimento

de importantes informações.

7. Referências bibliográficasHOFFMAN, G.L., JORDAN, G.R., WALLIS, G.R. Geophysical Borehole Logging

Handbook for Coal Exploration. Alberta (CAN), The Coal Mining Research Centre,1982. 270 p.

OLIVEIRA, L.J. de. Avaliação do uso da pefilagem geofísica para obtenção de informações

secundárias para utilização em co-estimativas de variáveis geológico-mineiras. PortoAlegre: PPGEM-EE-UFRGS, 2005. 164 p. (Dissertação de Mestrado).

Artigo recebido em 06/06/2008 e aprovado em 25/05/2009.

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