Análise de confiabilidade no descomissionamento de cavernas salinas aplicando metamodelagem

Abstract

Resumo: A alta solubilidade da halita possibilita sua extração pela técnica de dissolução. Este método destaca-se entre as demais técnicas de extração de sal-gema pelo baixo custo, em relação à mineração por galerias, e a não ocupação da superfície do terreno. No entanto, a ocorrência de eventos de subsidências em campos de mineração por dissolução é recorrente em várias partes do mundo. A subsidência é um fenômeno que consiste no solapamento do nível do terreno em decorrência da formação de cavidades em sub-superfície. Neste trabalho, estuda-se o comportamento de minas descomissionadas ao longo de um período de 50 anos, considerando as incertezas inerentes ao problema. A partir de uma revisão sistemática de literatura os principais métodos de controle de subsidência foram identificados e classificados quanto a sua aplicabilidade, como métodos de prevenção, monitoramento ou remediação. Diante do conhecimento das técnicas utilizadas é proposta uma metodologia de predição que combina três técnicas de controle: ensaios geofísicos, modelagem numérica do comportamento estrutural e análise de confiabilidade. Os ensaios geofísicos possibilitam o conhecimento dos estratos geológicos e formatos das minas, a modelagem geomecânica prevê o comportamento das cavernas salinas e a abordagem probabilística permite uma análise de confiabilidade do descomissionamento das minas. As simulações numéricas via Método dos Elementos Finitos foram baseadas no modelo constitutivo de Múltiplos Mecanismos de Deformação, o qual representa o comportamento de fluência da rocha salina. Ademais, é considerado o critério de Ratigan para verificação da ocorrência de dano na caverna. Análises de sensibilidade global Sobol'/Saltelli e aplicação do Método de Monte Carlo para verificação da probabilidade de falha requerem milhares de simulações para serem realizadas, com intuito de reduzir o custo computacional, utilizou-se a técnica de metamodelagem POD-RBF. O metamodelo foi capaz de substituir o modelo numérico com um ajuste satisfatório. A análise de sensibilidade mostrou que a grande sensibilidade do modelo à pressão interna da caverna, faz com que os outros parâmetros não influenciem significativamente no comportamento da caverna. Quanto a probabilidade de falha, foi realizada uma análise quanto ao nível de incerteza, onde os valores de probabilidade de falhas foram de 2,64% para o cenário pessimista, 0,34% para o cenário neutro e não ocorrem falhas nas 40000 avaliações realizadas no cenário otimista.

Abstract: The high solubility of halite allows its extraction by the solution technique. This method stands out among other techniques of rock salt extraction due to its low cost, compared to mining by galleries, and the non-occupancy of the land's surface. However, subsidence events in solution mining fields are recurrent in many parts of the world. Subsidence happens because of the ground-level undermining due to the formation of subsurface cavities. This work studies the behavior of decommissioned mines for over 50 years, considering the uncertainties inherent to the decommissioning problem. From a systematic literature review, the main subsidence control methods were identified and classified as to their applicability, as methods of prevention, monitoring or remediation. Given the knowledge of the techniques presented, this study introduces a prediction method of instability of salt caverns. This method combines geophysical tests, numerical modeling of structural behavior, and reliability analysis. The geophysical tests identify the characteristics of the geological strata and the mine's shape, The geomechanical modeling predicts the behavior of saline caverns, And the probabilistic approach performs a reliability analysis of the mine's decommissioning. The numerical approach uses the Finite Element Method, which allows simulating the creep behavior of the saline rock by using the Multiple Mechanisms of Deformation. Also, the Ratigan criterion is considered to predict the occurrence of damage in the cavern. Another behavior simulated in this study is the failure probability. Both Sobol'/Saltelli global sensitivity analysis and the Monte Carlo experiment need several simulations to verify the failure of the material. In this sense, the POD-RBF metamodel was implemented to reduce the computational cost. The metamodel replaces the numerical model with a satisfactory fit. The sensitivity analysis showed that the model has a meaningful sensitivity to the internal pressure of the cavern. Other parameters evaluated did not produce a significant influence on the behavior. As for the failure probability, it was carried out an analysis regarded three scenarios called pessimistic, neutral, and optimistic. The analysis considered the level of uncertainty and 40,000 interactions. The results showed a failure probability of 2.64%, 0.34%, and no failure for pessimistic, neutral, and optimistic scenarios.