O desmonte de rocha com uso de explosivos, aplicado à extração subterrânea de recursos minerais é uma tarefa impar que exige perícia e planejamento detalhado. Nesse contexto, essa dissertação tem sua relevância devido à apresentação de metodologias que visam aprimorar os processos envolvidos com o desmonte de rocha com uso de perfurações radiais, aplicado ao método de mineração subterrânea câmaras transversais, variante do método sublevel stoping. Para cumprir esse objetivo foram estabelecidas metodologias embasadas na utilização de registros sismográficos dos desmontes, mapeamento por laser das câmaras de lavra, registros operacionais da mina estudada. As metodologias aplicadas nas operações de mina incluíram: a segregação entre as atividades de perfuração e desmonte de rocha para assim aprimorar o ciclo operacional, a implantação de desmontes massivos como forma de aumentar a taxa de produção. A mudança na geometria das câmaras, a fim preservar o teto das mesmas. Um experimento com diferentes arranjos de retardo nos desmontes, como forma de determinar a configuração temporal menos nociva em termos de vibração, e por fim, a aplicação de uma nova malha de perfuração baseada no método dos triângulos reorientados de Hagan (1988), que visava diminuir a necessidade de perfuração e melhorar a distribuição energética dos desmontes em leque. As modificações propostas geraram resultados positivos, respectivamente quanto: aumento da eficiência dos ciclos de perfuração em 49% e aumento de 54% na produtividade das câmaras no período estudado, devido a implementação de desmontes massivos somados a segregação das atividades de perfuração e desmonte. Observou se a diminuição significativa da sobre-quebra (back break) do teto, da mesma forma os danos aos cabos de ancoragem (cable-bolts) foram reduzidos, resultados estes oriundos das modificações na geometria das câmaras. Os testes com diferentes arranjos de retardos demonstraram que o arranjo: 50ms entre furos e 200ms entre linhas, gerou a menor intensidade de vibração. O teste com o padrão de perfuração baseado na técnica de Hagan apresentou melhor índice de perfuração específica, porém, resultou em uma recuperação menor do que a média usual das câmaras, (76% contra 85%). Pode-se concluir que as metodologias propostas foram validas como medidas de aprimoramento das operações de perfuração e desmonte de rocha, a exceção da técnica dos triângulos reorientados de Hagan. Também foi possível concluir que a razão entre os valores de retardos intra linhas (L-L) e intra furos (F-F) influi diretamente na intensidade de vibração. / The blasting of rocks, applied to the underground extraction of mineral resources is a difficult task that requires expertise and detailed planning. In this context, this dissertation has its relevance due to the presentation of methodologies that aim to improve the processes involved with the blasting of rocks utilizing ring drilling, applied to the underground mining method transversal stopes, a variant of the method sublevel stoping. To fulfill this objective, methodologies based on the use of seismographic records of the blasting events, laser scanners of the stopes and operational records of the mine were used, as well as the use of Micromine software. The methodologies applied in mine operations included: segregation between rock drilling and blasting activities to improve the operational cycle, the implantation of the concept of mass blasting as a way to increase the production rate, the change in the drilling pattern in order to preserve the roof of the stopes, an experiment with different arrangements of delays for the blasting, as a way to determine the less harmful configuration in terms of vibration and finally the application of a new drilling pattern based on the reoriented triangles method of Hagan (1988), which aimed to reduce the need for drilling and to improve the energy distribution of the rings of drilling. The proposed modifications generated positive results, respectively: increase in the efficiency of the drilling cycles by 49% and a 54% increase in the productivity of the studied period, due to the implementation of mass blasting concept added to the segregation of drilling and blasting activities. It was observed that the significant decrease of the back break of the roof, in the same way the damages to the cables of reinforcement (cable-bolts) were reduced, as a result from the modifications in the drillings. The tests with different delay arrangements showed that the arrangement: 50ms between holes and 200ms between rows, generated the lowest vibration intensity. The Hagan technique-based drilling test showed a better specific drilling index, but resulted in a lower ore recovery than the usual to the stopes mean (76% vs. 85%). It can be concluded that the proposed methodologies were valid as measures of improvement of the operations of drilling and blasting of rock, except for the technique of the reoriented triangles of Hagan. It was also possible to conclude that the ratio between inter ring and inter-hole delays directly influences the vibration intensity.

O desmonte de rocha com uso de explosivos, aplicado à extração subterrânea de recursos minerais é uma tarefa impar que exige perícia e planejamento detalhado. Nesse contexto, essa dissertação tem sua relevância devido à apresentação de metodologias que visam aprimorar os processos envolvidos com o desmonte de rocha com uso de perfurações radiais, aplicado ao método de mineração subterrânea câmaras transversais, variante do método sublevel stoping. Para cumprir esse objetivo foram estabelecidas metodologias embasadas na utilização de registros sismográficos dos desmontes, mapeamento por laser das câmaras de lavra, registros operacionais da mina estudada. As metodologias aplicadas nas operações de mina incluíram: a segregação entre as atividades de perfuração e desmonte de rocha para assim aprimorar o ciclo operacional, a implantação de desmontes massivos como forma de aumentar a taxa de produção. A mudança na geometria das câmaras, a fim preservar o teto das mesmas. Um experimento com diferentes arranjos de retardo nos desmontes, como forma de determinar a configuração temporal menos nociva em termos de vibração, e por fim, a aplicação de uma nova malha de perfuração baseada no método dos triângulos reorientados de Hagan (1988), que visava diminuir a necessidade de perfuração e melhorar a distribuição energética dos desmontes em leque. As modificações propostas geraram resultados positivos, respectivamente quanto: aumento da eficiência dos ciclos de perfuração em 49% e aumento de 54% na produtividade das câmaras no período estudado, devido a implementação de desmontes massivos somados a segregação das atividades de perfuração e desmonte. Observou se a diminuição significativa da sobre-quebra (back break) do teto, da mesma forma os danos aos cabos de ancoragem (cable-bolts) foram reduzidos, resultados estes oriundos das modificações na geometria das câmaras. Os testes com diferentes arranjos de retardos demonstraram que o arranjo: 50ms entre furos e 200ms entre linhas, gerou a menor intensidade de vibração. O teste com o padrão de perfuração baseado na técnica de Hagan apresentou melhor índice de perfuração específica, porém, resultou em uma recuperação menor do que a média usual das câmaras, (76% contra 85%). Pode-se concluir que as metodologias propostas foram validas como medidas de aprimoramento das operações de perfuração e desmonte de rocha, a exceção da técnica dos triângulos reorientados de Hagan. Também foi possível concluir que a razão entre os valores de retardos intra linhas (L-L) e intra furos (F-F) influi diretamente na intensidade de vibração. / The blasting of rocks, applied to the underground extraction of mineral resources is a difficult task that requires expertise and detailed planning. In this context, this dissertation has its relevance due to the presentation of methodologies that aim to improve the processes involved with the blasting of rocks utilizing ring drilling, applied to the underground mining method transversal stopes, a variant of the method sublevel stoping. To fulfill this objective, methodologies based on the use of seismographic records of the blasting events, laser scanners of the stopes and operational records of the mine were used, as well as the use of Micromine software. The methodologies applied in mine operations included: segregation between rock drilling and blasting activities to improve the operational cycle, the implantation of the concept of mass blasting as a way to increase the production rate, the change in the drilling pattern in order to preserve the roof of the stopes, an experiment with different arrangements of delays for the blasting, as a way to determine the less harmful configuration in terms of vibration and finally the application of a new drilling pattern based on the reoriented triangles method of Hagan (1988), which aimed to reduce the need for drilling and to improve the energy distribution of the rings of drilling. The proposed modifications generated positive results, respectively: increase in the efficiency of the drilling cycles by 49% and a 54% increase in the productivity of the studied period, due to the implementation of mass blasting concept added to the segregation of drilling and blasting activities. It was observed that the significant decrease of the back break of the roof, in the same way the damages to the cables of reinforcement (cable-bolts) were reduced, as a result from the modifications in the drillings. The tests with different delay arrangements showed that the arrangement: 50ms between holes and 200ms between rows, generated the lowest vibration intensity. The Hagan technique-based drilling test showed a better specific drilling index, but resulted in a lower ore recovery than the usual to the stopes mean (76% vs. 85%). It can be concluded that the proposed methodologies were valid as measures of improvement of the operations of drilling and blasting of rock, except for the technique of the reoriented triangles of Hagan. It was also possible to conclude that the ratio between inter ring and inter-hole delays directly influences the vibration intensity.

O desmonte de rocha com uso de explosivos, aplicado à extração subterrânea de recursos minerais é uma tarefa impar que exige perícia e planejamento detalhado. Nesse contexto, essa dissertação tem sua relevância devido à apresentação de metodologias que visam aprimorar os processos envolvidos com o desmonte de rocha com uso de perfurações radiais, aplicado ao método de mineração subterrânea câmaras transversais, variante do método sublevel stoping. Para cumprir esse objetivo foram estabelecidas metodologias embasadas na utilização de registros sismográficos dos desmontes, mapeamento por laser das câmaras de lavra, registros operacionais da mina estudada. As metodologias aplicadas nas operações de mina incluíram: a segregação entre as atividades de perfuração e desmonte de rocha para assim aprimorar o ciclo operacional, a implantação de desmontes massivos como forma de aumentar a taxa de produção. A mudança na geometria das câmaras, a fim preservar o teto das mesmas. Um experimento com diferentes arranjos de retardo nos desmontes, como forma de determinar a configuração temporal menos nociva em termos de vibração, e por fim, a aplicação de uma nova malha de perfuração baseada no método dos triângulos reorientados de Hagan (1988), que visava diminuir a necessidade de perfuração e melhorar a distribuição energética dos desmontes em leque. As modificações propostas geraram resultados positivos, respectivamente quanto: aumento da eficiência dos ciclos de perfuração em 49% e aumento de 54% na produtividade das câmaras no período estudado, devido a implementação de desmontes massivos somados a segregação das atividades de perfuração e desmonte. Observou se a diminuição significativa da sobre-quebra (back break) do teto, da mesma forma os danos aos cabos de ancoragem (cable-bolts) foram reduzidos, resultados estes oriundos das modificações na geometria das câmaras. Os testes com diferentes arranjos de retardos demonstraram que o arranjo: 50ms entre furos e 200ms entre linhas, gerou a menor intensidade de vibração. O teste com o padrão de perfuração baseado na técnica de Hagan apresentou melhor índice de perfuração específica, porém, resultou em uma recuperação menor do que a média usual das câmaras, (76% contra 85%). Pode-se concluir que as metodologias propostas foram validas como medidas de aprimoramento das operações de perfuração e desmonte de rocha, a exceção da técnica dos triângulos reorientados de Hagan. Também foi possível concluir que a razão entre os valores de retardos intra linhas (L-L) e intra furos (F-F) influi diretamente na intensidade de vibração. / The blasting of rocks, applied to the underground extraction of mineral resources is a difficult task that requires expertise and detailed planning. In this context, this dissertation has its relevance due to the presentation of methodologies that aim to improve the processes involved with the blasting of rocks utilizing ring drilling, applied to the underground mining method transversal stopes, a variant of the method sublevel stoping. To fulfill this objective, methodologies based on the use of seismographic records of the blasting events, laser scanners of the stopes and operational records of the mine were used, as well as the use of Micromine software. The methodologies applied in mine operations included: segregation between rock drilling and blasting activities to improve the operational cycle, the implantation of the concept of mass blasting as a way to increase the production rate, the change in the drilling pattern in order to preserve the roof of the stopes, an experiment with different arrangements of delays for the blasting, as a way to determine the less harmful configuration in terms of vibration and finally the application of a new drilling pattern based on the reoriented triangles method of Hagan (1988), which aimed to reduce the need for drilling and to improve the energy distribution of the rings of drilling. The proposed modifications generated positive results, respectively: increase in the efficiency of the drilling cycles by 49% and a 54% increase in the productivity of the studied period, due to the implementation of mass blasting concept added to the segregation of drilling and blasting activities. It was observed that the significant decrease of the back break of the roof, in the same way the damages to the cables of reinforcement (cable-bolts) were reduced, as a result from the modifications in the drillings. The tests with different delay arrangements showed that the arrangement: 50ms between holes and 200ms between rows, generated the lowest vibration intensity. The Hagan technique-based drilling test showed a better specific drilling index, but resulted in a lower ore recovery than the usual to the stopes mean (76% vs. 85%). It can be concluded that the proposed methodologies were valid as measures of improvement of the operations of drilling and blasting of rock, except for the technique of the reoriented triangles of Hagan. It was also possible to conclude that the ratio between inter ring and inter-hole delays directly influences the vibration intensity.

A sobreposição de frequências ultrassônicas a uma ferramenta em operações de perfuração, utilizando transdutores piezelétricos, resulta em melhorias na usinagem de metais, garantindo melhor acabamento (ausência de rebarba), redução do tamanho do cavaco e menor desgaste ferramental. A utilização desse tipo de técnica na perfuração de rochas reduz a carga axial e aumenta a velocidade do processo, possibilitando maior profundidade de perfuração, podendo vir a ser muito útil em pesquisas aplicadas à perfuração de reservas petrolíferas e exploração mineral. Este trabalho teve como objetivo simular e aplicar um transdutor piezelétrico ultrassônico de potência para perfuração de rochas e metais. Para as simulações numéricas duas técnicas foram utilizadas: o método dos elementos finitos (MEF) e o método das matrizes em cadeia (MMC). O MEF permitiu análises harmônicas e modais de forma rápida e precisa enquanto o MMC resultou em expressão analítica, possibilitando melhor compreensão dos parâmetros físicos e geométricos envolvidos na performance do transdutor. Ambos os métodos nortearam o projeto do protótipo a ser usado em ensaios de perfuração. Para a construção do protótipo, foi projetado um mandril para a fixação da broca, que foi adaptado a um transdutor de potência de 20 kHz. Ensaios de perfuração de rochas e de discos de alumínio foram realizados com o protótipo. A aplicação do protótipo à perfuração de rochas carbonáticas demonstrou redução no tempo de furação, quando comparada ao método convencional (sem aplicação de ultrassom). Na furação de discos de alumínio, a redução de rebarbas, quebra do cavaco durante a operação e melhor acabamento da peça, são conclusões evidentes das melhorias proporcionadas pela sobreposição de frequências ultrassônicas à broca. / Superposition of high frequency vibration in the tool, driven by a piezoelectric actuator, in a drilling machining process of metals results in some improvements such as finishing quality (without burr), reduction of tool wear and chip dimensions. Similar techniques applied in rock perforation reduce the axial load in the tool, which enhances the process velocity, resulting in deeper perforation. This might be useful in oil and mineral exploration, opening the feasibility of researches in this field. The aim of this work is to simulate and implement an ultrasonic piezoelectric transducer to perforate rocks and metals. Concerning numerical simulation, two techniques were performed: finite element method (FEM) and chain matrix method (CMM). FEM simulations provide fast and effective modal and harmonic analysis. CMM provide mathematical expressions, analytically exposing geometrical and physical parameters involved in the transducer performance. Both methods were the guide and basement for the prototype project, able to perform perforation experiments. For the construction of the prototype, a drill chuck were designed and adapted for a 20 kHz power ultrasonic transducer. Aluminum drilling and rock perforation experiments were carried out with this prototype. A lower perforation time was achieved in carbonate rocks when the ultrasound-aided method was used as opposed to the conventional method. Results in aluminum disks presented burr reduction, better part finishing and breakage of chips during operation. Those results evidently appoint some improvements due to the power ultrasonic superposition in the drilling process.

A sobreposição de frequências ultrassônicas a uma ferramenta em operações de perfuração, utilizando transdutores piezelétricos, resulta em melhorias na usinagem de metais, garantindo melhor acabamento (ausência de rebarba), redução do tamanho do cavaco e menor desgaste ferramental. A utilização desse tipo de técnica na perfuração de rochas reduz a carga axial e aumenta a velocidade do processo, possibilitando maior profundidade de perfuração, podendo vir a ser muito útil em pesquisas aplicadas à perfuração de reservas petrolíferas e exploração mineral. Este trabalho teve como objetivo simular e aplicar um transdutor piezelétrico ultrassônico de potência para perfuração de rochas e metais. Para as simulações numéricas duas técnicas foram utilizadas: o método dos elementos finitos (MEF) e o método das matrizes em cadeia (MMC). O MEF permitiu análises harmônicas e modais de forma rápida e precisa enquanto o MMC resultou em expressão analítica, possibilitando melhor compreensão dos parâmetros físicos e geométricos envolvidos na performance do transdutor. Ambos os métodos nortearam o projeto do protótipo a ser usado em ensaios de perfuração. Para a construção do protótipo, foi projetado um mandril para a fixação da broca, que foi adaptado a um transdutor de potência de 20 kHz. Ensaios de perfuração de rochas e de discos de alumínio foram realizados com o protótipo. A aplicação do protótipo à perfuração de rochas carbonáticas demonstrou redução no tempo de furação, quando comparada ao método convencional (sem aplicação de ultrassom). Na furação de discos de alumínio, a redução de rebarbas, quebra do cavaco durante a operação e melhor acabamento da peça, são conclusões evidentes das melhorias proporcionadas pela sobreposição de frequências ultrassônicas à broca. / Superposition of high frequency vibration in the tool, driven by a piezoelectric actuator, in a drilling machining process of metals results in some improvements such as finishing quality (without burr), reduction of tool wear and chip dimensions. Similar techniques applied in rock perforation reduce the axial load in the tool, which enhances the process velocity, resulting in deeper perforation. This might be useful in oil and mineral exploration, opening the feasibility of researches in this field. The aim of this work is to simulate and implement an ultrasonic piezoelectric transducer to perforate rocks and metals. Concerning numerical simulation, two techniques were performed: finite element method (FEM) and chain matrix method (CMM). FEM simulations provide fast and effective modal and harmonic analysis. CMM provide mathematical expressions, analytically exposing geometrical and physical parameters involved in the transducer performance. Both methods were the guide and basement for the prototype project, able to perform perforation experiments. For the construction of the prototype, a drill chuck were designed and adapted for a 20 kHz power ultrasonic transducer. Aluminum drilling and rock perforation experiments were carried out with this prototype. A lower perforation time was achieved in carbonate rocks when the ultrasound-aided method was used as opposed to the conventional method. Results in aluminum disks presented burr reduction, better part finishing and breakage of chips during operation. Those results evidently appoint some improvements due to the power ultrasonic superposition in the drilling process.