Ventilación y Drenaje en Mina Subterranea Unidad 1 Ventilación Profesor: José Vivar Cuturrufo.
Contenidos Curso Cátedra Profesor
Ventilación de minas y Drenaje José Vivar Cuturrufo
[email protected] jvivar@minerah mc.cl
Horario Cátedra 1. Contenidos Cátedra
Modulo N°1: Ventilación 1 Fundamentos teóricos de Ventilación; propiedades físicas del aire
(16 Horas
2 Circuitos básicos de ventilación, y ventilación natural; Equipos utilizados en ventilación mecánica
(12 Horas)
3 Teoría de redes de ventilación ventilación e instrumentación para para el cálculo de Caudales al interior Mina
( 12 Horas)
Modulo N°2: Drenaje 2.1 Drenaje y sus propiedades físicas; medidas para prevenir inundaciones inundaciones Por efecto del agua en mina 2.2 Selección e instalación de bombas para drenaje y pozos colectores Tuberias y accesorios
Evaluación
( 12 Horas) ( 12 Horas) ( 06 Horas)
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Ventilación de minas y Drenaje José Vivar Cuturrufo
[email protected] jvivar@minerah mc.cl
Horario Cátedra 1. Contenidos Cátedra
Modulo N°1: Ventilación 1 Fundamentos teóricos de Ventilación; propiedades físicas del aire
(16 Horas
2 Circuitos básicos de ventilación, y ventilación natural; Equipos utilizados en ventilación mecánica
(12 Horas)
3 Teoría de redes de ventilación ventilación e instrumentación para para el cálculo de Caudales al interior Mina
( 12 Horas)
Modulo N°2: Drenaje 2.1 Drenaje y sus propiedades físicas; medidas para prevenir inundaciones inundaciones Por efecto del agua en mina 2.2 Selección e instalación de bombas para drenaje y pozos colectores Tuberias y accesorios
Evaluación
( 12 Horas) ( 12 Horas) ( 06 Horas)
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SISTEMAS DE VENTILACION AUXILIAR EN VENTILACION DE MINAS
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CAPITULO I - INTRODUCCION 1.1 Definición, Objetivos e Importancia
• •
Como ventilación auxiliar (o secundaria) definimos aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan áreas restringidas de las minas subterráneas, empleando para ello los circuitos de alimentación de aire fresco y de evacuación del aire viciado que le proporcione el sistema de ventilación general. Por extensión, esta definición la aplicamos a las faenas de túneles desde la superficie, aún cuando en estos casos no exista un sistema de ventilación general.
•
El objetivo de la ventilación auxiliar es mantener las galerías en desarrollo, con un ambiente adecuado para el buen desempeño de hombres y máquinas, esto es con un nivel de contaminación ambiental bajo las concentraciones máximas permitidas, y con una alimentación de aire fresco suficiente s uficiente para cubrir los requerimientos de las maquinarias utilizadas en las faenas.
•
Una ventilación auxiliar eficaz de los desarrollos de galerías, no sólo proporciona un ambiente más sano y confortable para los trabajadores, sino que además permite obtener mejores rendimientos y velocidad de avance al acortar los tiempos de espera para la evacuación de los gases de disparos, y al mejorar la productividad de los hombres y equipos, la visibilidad, la seguridad y otros efectos beneficiosos que se traducen finalmente en una rebaja en los costos de los desarrollos y en el término de los mismos dentro de los plazos establecidos.
Una ventilación auxiliar eficaz de los desarrollos de galerías, no sólo proporciona un ambiente más sano y confortable para los trabajadores, sino que además permite obtener mejores rendimientos y velocidad de avance al acortar los tiempos de espera para la evacuación de los gases de disparos, y al mejorar la productividad de los hombres y equipos, la visibilidad, la seguridad y otros efectos beneficiosos que se traducen finalmente en una rebaja en los costos de los desarrollos y en el término de los mismos dentro de los plazos establecidos.
1.2
Contaminación Gaseosa
1.2.1
Gases de Tronadura
La detonación de explosivos en desarrollos produce un alto volumen de gases, en su mayoría tóxica para el hombre como son el monóxido de carbono (CO) y los humos nitrosos (NxOx), acompañados de anhídrido carbónico (CO2), vapor de agua y humos irritantes. La composición y el volumen de gases generados en las tronaduras dependen del tipo y cantidad de explosivos utilizados y de las condiciones bajo las cuales es detonado, pudiéndose producir por cada 100 Kgs. de explosivos los siguientes rangos de volúmenes de gases:
Anhidrido carbónico
10,0 a 27,0 m3
Móxido de carbono
1,2 a
4,0 m3
Humos nitrosos
0,6 a
4,4 m3
Esta generación de gases tóxicos en labores ciegas con escasa aireación presentan un serio y conocido riesgo para la vida de los trabajadores que, por alguna circunstancia, se expongan a la inhalación de estos gases en altas concentraciones por un tiempo prolongado. El efecto fisiológico que ejercen los gases tóxicos sobre el organismo depende la naturaleza del gas, de su concentración, del tiempo de exposición y en menor grado de la susceptibilidad individual. Entre los gases tóxicos mencionados destacamos al monóxido de carbono y a los humos nitrosos como los más peligrosos de los generados por las tronaduras de explosivos, capaces de dañar la salud, aún en pequeñas concentraciones. El humo que siempre s iempre generan las tronaduras está formado por materias sólidas y líquidas finamente divididas y que quedan suspendidas en el aire, mezclado con los gases tóxicos. Este humo es irritante, de un fuerte olor característico y por si sólo no es asfixiante; pero como se mezcla con los gases tóxicos, las personas que son afectadas por estos erróneamente lo atribuyen al humo que es visible e irritante.
1.2.2
Emisión de Gases de Equipos Diesel
El uso de equipos diesel en los desarrollos de galerías, tales como cargadores frontales (LHD), camiones tolva, jumbos perforadores montados sobre neumáticos, etc., están desplazando los equipos tradicionales en base a aire comprimido, constituyendo una nueva e importante fuente de contaminación ambiental en faenas de túneles, con la generación de gases tóxicos que deben ser controlados por dilución y extracción. Los productos emitidos por los motores diesel son: a)
El anhídrido carbónico, agua y anhídrido sulfuroso producidos por la combustión completa.
b) Monóxido de carbono, hidrocarburos (aldehidos) y hollín, producidos por la combustión incompleta del petróleo. c) Oxidos de nitrógeno producido en la combustión como NO y posteriormente oxidado a NO2 en el ambiente. Entre otros factores la cantidad de gases tóxicos generados por los equipos diesel dependen de la relación aire/combustible, del tipo de sistema de inyección usado, de la temperatura y presión de la combustión, del tipo de dilución empleado en la descarga de gases, del trabajo ejecutado por la máquina y de sus condiciones mecánicas.
Considerando estos factores y el riesgo siempre latente de la emisión de gases tóxicos en labores subterráneas, estos equipos deben cumplir con ciertas normas mínimas de prevención para ser aceptadas y que entre otras son: El empleo de filtros de agua para el lavado de los gases de escape y/o catalizadores para la reducción del monóxido de carbono, hidrocarburos y aldehidos, lo que además permite una baja considerable de la temperatura de los gases que son expulsados al ambiente de la mina (menor a 70ºC). El uso de combustible diesel con un porcentaje de azufre menor a 0.5% en peso, asegura una baja emisión de anhídrido sulfuroso que, en caso contrario, puede dar lugar a la formación de trióxido de azufre, humo denso que genera ser ios problemas de ventilación.
1.3
Aplicación de Sistemas
1.3.1
Tipos Básicos
Dos son los tipos de sistemas de ventilación auxiliar que pueden emplearse en el desarrollo de galerías horizontales, utilizando ductos y ventiladores auxiliares:
Sistema Impelente: El aire es impulsado por el ducto y sale por la galería en desarrollo ya viciado. Sistema Aspirante: El aire fresco ingresa a la frente por la galería y el contaminado es extraído por la ductería.
Un tercer sistema es el combinado, aspirante-impelente, que emplea dos tendidos de ductería; una para extraer aire y el segundo para impulsar aire limpio a la frente en avance. Este sistema reúne las ventajas de los dos tipos básicos en cuanto a mantener la galería y la frente en desarrollo con una renovación constante de aire limpio y en la velocidad de la extracción de los gases de disparos, con una sola desventaja, su mayor costo de instalación y mantención.
1.3.2 Aplicaciones de los Tipos Básicos Para galerías horizontales de poca longitud y sección (menores a 400 m y de 3,0 x 3,0 m de área), lo conveniente es usar un sistema impelente de mediana o baja capacidad, dependiendo del equipo a utilizar en el desarrollo y de la localización de la alimentación y evacuación de aire del circuito general de ventilación de la zona. Para galerías de mayor sección y con una longitud sobre 400 m, el uso de un sistema aspirante o combinado es más recomendable para mantener las galerías limpias y con buena visibilidad para el tráfico vehícular, sobre todo si éste es diesel. Para ventilar desarrollos de túneles desde la superficie, es el sistema aspirante el preferido para su ventilación, aún cuando se requieren elementos auxiliares para remover el aire en la zona muerta comprendida entre la frente y el extremo de la ductería de aspiración, ya que permite una mayor velocidad de avance.
La aplicación de sistemas auxiliares para desarrollar galerías verticales está limitada a su empleo para ventilar la galería donde se inicia el desarrollo de la c himenea o pique, dado que la destrucción de los tendidos de ductos dentro de la labor vertical por la c aída de la roca en los disparos es inevitable. (En su reemplazo se utiliza el aire comprimido). El uso de sistemas combinados, aspirante-impelentes, para ventilar los desarrollos de piques verticales también son de aplicación práctica cuando éstos se desarrollan en descenso y la marina es extraída por palas LHD. En estos casos, el uso de un tendido de mangas que haga llegar aire fresco al fondo del pique en avance es imprescindible para refrescar el ambiente. Independiente del tipo de sistema auxiliar que más convenga, la alimentación de aire fresco y evacuación final del contaminado debe ser estudiada con detenimiento en cada caso particular, para evitar recirculación de aire viciado de efectos acumulativos para el sistema y/o contaminación indeseada de otras áreas de la mina. En varios casos la selección del tipo de sistema auxiliar ya está limitado y definido por la situación del sistema de ventilación general, al cual hay que conectarse dando lugar a una sola alternativa. Caso típico de esta situación es el desarrollo de galerías a partir de socavones principales que no conviene contaminar. En este caso la extracción por ductería del sistema aspirante con descarga al circuito de retorno de aire general más cercano, es lo único aceptable aún para desarrollos de longitudes menores a 300 m.
1.4
Uso de Aire Comprimido
Por su alto costo en relación a la ventilación mecanizada, el uso del aire comprimido para atender la aireación de desarrollos debe limitarse exclusivamente a aquellas aplicaciones, donde no es posible por razones prácticas, el utilizar sistemas auxiliares de ventilación como es el caso particular del desarrollo manual de chimeneas o piques inclinados que, afortunadamente, están en franca eliminación por la adopción de técnicas más avanzadas de desarrollo, que no requieren que el personal se exponga en el interior de la excavación (Drop Raising, Rise Bore, VCR). El uso de sopladores de aire comprimido para ventilar los desarrollos horizontales, se debe limitar a aquella galerías de pequeña sección que por falta de espacio físico no hacen posible los tendidos de mangas de ventilación, y para acelerar la salida de los gases en los sistemas aspirantes instalando los sopladores en el extremo de la cañería de aire comprimido cercana a las frentes (zona muerta), siempre que no sea factible el uso de ventiladores eléctricos portátiles con manga lisa que impulse aire a la frente en avance (Jet Fans). El empleo de ventiladores auxiliares accionados por aire comprimido, es una alternativa viable para el uso de sistemas auxiliares en sectores de la mina alejados de los centros de distribución de energía eléctrica; pero por su limitada capacidad y presión rara vez son aplicados en la ventilación de desarrollos. Los neblinadores de agua, en base a aire comprimido, son elementos auxiliares de apoyo para los sistemas de ventilación, de mucha utilidad en disparos de desarrollo y en tronaduras, ya que el agua atomizada depresa el polvo y reduce las concentraciones de gases nocivos por efectos de lavado y su chorro de alta velocidad ayuda a remover el aire contaminado de las frentes ciegas en el caso de los sistemas aspirantes.
1. De los sopladores de aire comprimido, normalmente utilizados en ventilación general como un refuerzo para acelerar el movimiento de aire en galerías, los más eficientes son aquellos que inducen movimiento al aire ambiente aprovechando al máximo el efecto Ventury. En aquellos casos típicos de desarrollo, donde no se tiene un sistema auxiliar que proporcione una segunda vía para el movimiento del aire en la galería, estos sopladores sólo remueven la masa de aire en su radio de acción y diluyen los gases muy lentamente, lo que se traduce en un mayor tiempo de espera por ventilación. Este hecho ha sido comprobado mediante estudios comparativos de terreno en ventilación de polvorazos, alternando el empleo de sistemas auxiliares impelentes con la ventilación de tubos Venturys y neblinadores con resultados ampliamente favorables para los sistemas impelentes. •
Considerando el alto costo de la generación del aire comprimido en la mina, el uso de este medio para ventilación debe tratar de reducirse al mínimo posible, reemplazándolo por sistemas auxiliares provistos de ventiladores eléctricos o Jet Fans, cuyos costos unitarios y energéticos no tienen punto de comparación entre si.
•
Ejemplo: 1 Ventilador Auxiliar Joy de 15 HP mueve un caudal de 10.000 pies cúbicos de aire por minuto. Para este caudal se requieren 3 compresores de 850 HP c/u, cuya capacidad individual es de 3.400 pies cúbicos/minuto.
1.5 Aplicaciones Especiales a la Ventilación de Dependencias Subterráneas 1.5.1 Oficinas, Comedores, Bodegas, Terminales de Computación Las oficinas subterráneas están expuestas a la contaminación provenientes de las frentes en desarrollo y focos polvorientos de las áreas de producción por el natural interés de ubicarlas cercanas a los lugares de trabajo. Estos locales requieren una ventilación por sobre-presión de aire limpio que evite el ingreso de contaminantes por sus puertas de acceso, en especial para las salas con terminales de computación y laboratorio de geomecánica, adelantos tecnológicos de data reciente. Este problema ha sido solucionado con sistemas de ventilación impelentes, con varias ramas de distribución de aire en el interior de los locales y con una batería de ventilador y filtros contra-polvo fino tipo seco (farr 30/30 prefiltro y filtro fino HP100) con una capacidad promedio de 6.000 pies cúbicos/minuto. 1.5.2 Sub Estaciones Eléctricas La generación de calor de los transformadores y lo delicado de los restantes equipos de control en estos locales, requieren de sistemas de inyección de aire pre-filtrado, cuya capacidad fluctúa alrededor de los 12.000 pies cúbicos/minuto. Esta es otra aplicación generalizada de sistemas de ventilación auxiliar en la mina. 1.5.3 Polvorines Estos locales requieren de una aireación de bajo volumen por m 2 de superficie, comparado con las S/E Eléctricas (alrededor de 3.000 pies cúbicos/minuto) de aire no filtrado, que es impulsado por un pequeño ventilador centrífugo al interior de los depósitos de explosivos subterráneos por medio de una red de ductos de concreto bajo el nivel del piso. •
Para polvorines de gran capacidad (semanales), la ventilación requiere mayores volúmenes (+-10.000 CFM) con aire pre-filtrado para el caso de dependencias subterráneas (polvo).
1.5.4 Talleres Aplicaciones de sistemas de extracción de aire mediante ductería rígida y ventiladores auxiliares de mediano rango (10.000 a 20.000 pies cúbicos/minuto) se han utilizado para solucionar problemas de contaminación por polvo y gases en talleres subterráneos de mantención mecánica/eléctrica, donde la ventilación general no es suficiente o no fue proyectada antes de la construcción del local.
CAPITULO II – DUCTERIA 2.1
Descripción de Ductos Más Utilizados
De la variedad de tipos de ductería existente en el mercado, aplicables a la ventilación subterránea, se destacan los siguientes:
2.1.1 Ductos Metálicos Fabricados con planchas de acero entre 1 a 4 mm de espesor de construcción en espiral y largos variables de 3 a 6 metros, dependiendo de su diámetro, son aptos para ser usados en sistemas de ventilación auxiliar aspirante para el desarrollo de galerías de gran longitud, por sus ventajas de bajo coeficiente de roce, excelente hermetismo en uniones (si se toma la precaución de utilizarlos con flanges apernados) y bajo costo de mantención. Las desventajas derivan de su peso y rigidez que dificultan y encarecen su instalación y retiro final de la faena.
Su costo por metro, si se dispone de una máquina que los fabrique en la boca mina, es similar al ducto plástico reforzado con anillos de acero para ventilación aspirante de fabricación nacional. En caso contrario, el costo adicional de transporte de los ductos de bajo peso pero voluminoso, encarece el costo unitario un 30 a 40% (Ver cuadro comparativo en lámina adjunta). Para túneles de secciones superiores a 4 x 4 m, desarrollados desde la superficie y con una longitud mayor a los 800 metros, el ducto metálico supera en ventajas prácticas a los flexibles, aún considerando su mayor costo inicial que se recupera con su eficacia, menor potencia requerida y menor requerimiento de mantención y reparación del tendido. Actualmente se dispone en el mercado, de un equipo móvil que fabrica los ductos de varios diámetros y que puede funcionar en la boca mina para abaratar los costos de transporte.
2.1.2
Ductos Plásticos Flexibles, Lisos
Estos ductos de fabricación nacional, confeccionados con tejido sintético de alta resistencia recubierto con PVC por ambas caras, se proporcionan en tiras de largo y diámetro a pedido para su uso en sistemas impelentes de ventilación , provistos de anillos de acero en sus extremos para ser conectados entre si o sin uso de collarines de unión.
2.1.3 Ductos Plásticos Reforzados Estos ductos confeccionados en el mismo material de tela que el anterior se refuerzan con una espiral de anillos de acero con un paso de 150 m/m o de 75 m/m, para su uso en sistemas de ventilación aspirante con diámetros que van de 250 mm a 1200 mm y tiras de 5 metros de largo. Para unirlos entre si, se requiere el uso de collarines de unión y vienen provistos de ganchos de sujeción. Su aplicación principal es para la extracción de aire, pero igualmente pueden usarse en sistemas impelentes, siempre que no sea posible utilizar el tipo liso, ya que esta manga es más resistida y de mayor costo.
2.1.4 Características y Ventajas Comparativas de los Tipos de Ductos Descritos En lámina Pág. 217 se indican las principales características de los tres tipos de ductos, con los diámetros y largos más utilizados en la ventilación de desarrollos y en lámina Pág. 218 sus ventajas comparativas, cuyo análisis concluye en la superioridad del ducto flexible con respecto al metálico para la mayoría de las aplicaciones de ventilación auxiliar, lo que se demuestra en la práctica con la paulatina desaparición de los ductos rígidos de nuestras faenas y el fuerte incremento del abastecimiento de mangas flexibles.
VENTAJAS COMPARATIVAS ENTRE TIPOS DE DUCTERIA ITEM
METALICO
FLEXIBLE
REFORZADO
FLEXIBLE LISO
Aplicación
Aspirante Impelente
Aspirante Impelente
Solo impelente
Transporte
Alto Costo (Voluminoso)
Mediano Costo (Paquetes)
Bajo costo (Plegados)
Almacenamiento
Dificultoso Requiere mucho espacio
Fácil, requiere poco espacio
Fácil, requiere muy poco espacio
Instalación
Difícil, lenta riesgosa
Regular, rápida
Fácil y rápida
Mantención
Reducida
Requiere buena mantención permanente
Requiere buena mantención permanente
Tipo de Unión
Collarín y flange apernado
Collarín de unión tipo rápida
Por tensión entre tiras
Accesorios
Cáncamos y alambre
Cáncamos, cable guía y ganchos de suspensión
Cáncamos, cable guía y ganchos de suspensión
Filtraciones (Fugas)
Bajísimas con flanges apernados
Regulares en uniones y por roturas
Regulares en uniones de tope y por roturas
Resistencia (Factor K)
Baja 11 x 10-10
Alta 30 x 10-10
Baja 15 x 10-10
Costo por Metro Lineal (800 mm Ø)
US$52
US$46
US$20
Máxima PS recomendada (800 mm Ø)
48" agua
10" agua (aspiración)
25" agua
Resistencia a la Corrosión
Baja
Mediana
Alta
Largo de Tiras
Limitado 3-6 mts
Limitado 5 mts
Variable de 5 a 30 mts, a pedido
2.1.5 Influencia del Diámetro de la Ductería en el Gasto de Energía
La determinación del diámetro óptimo de la ductería para sistemas de ventilación tiene gran importancia en el diseño por su gran influencia en el costo de ventiladores y energía necesaria. En efecto, si se considera la simplificación de la fórmula de Atkinsons para el cálculo de la caída de presión estática (Ps) necesaria para mover un cierto caudal de aire ( Q) en un ducto circular, se obtiene: (1) Ps = 1,247 x L x K x Q2 = presión en pulgadas de agua Ø5 Si consideramos que la potencia necesaria para mover un caudal de aire por un ducto es directamente proporcional a la presión estática requerida como: BHPs = Q x Ps = HP 6356 x Ef Se hace evidente la importancia de seleccionar un diámetro de ducto óptimo para cada sistema de ventilación auxiliar que se diseñe.
2.1.6
Importancia de las Fugas de Aire de la Ductería y su Influencia en la Determinación del Caudal del o los Ventiladores Todos los tendidos de ductería de los sistemas auxiliares presentan fugas de aire a lo largo del tendido, a través de las uniones entre tiras, uniones al ventilador y por roturas. La suma de es tas fugas de aire representan a veces cifras que superan el 90% del caudal impulsado por él o los ventiladores del sistema, con las consecuencias fáciles de imaginar para la efectividad de la ventilación del desarrollo en la frente. Valores de % de fugas consideradas aceptables para tendidos de ductos plásticos fluctúan entre 30 a 40% de la capacidad del ventilador auxiliar. Estos rangos son más bajos para tendidos de ductos metálicos que normalmente sufren pocas roturas durante su servicio, estimándose aceptables valores entre 20 a 30% para tiras unidas con bridas ajustables y menores a 10% para ductos metálicos provistos de flanges apernados con empaquetaduras de goma. Considerando que el caudal de aire necesario para ventilar un desarrollo se define como impulsado o extraído de la misma frente en avance, lo que es el extremo de la ductería, es obvio que el % de caudal de fugas producido a lo largo del tendido debe ser considerado al seleccionar la capacidad del ventilador auxiliar, de manera tal que: Q Ventilador = Q Requerido Frente + Q de Fugas Estimado
•
Para el cálculo de caudales de fugas existen nomogramas y fórmulas basadas en experiencias de laboratorio, que por las diferentes aplicaciones y tipos de ducterías usadas no tienen una aplicación generalizada.
•
Para efectos prácticos, mediciones efectuadas a los sistemas en operación, proporcionan % de fugas más reales a considerar para los futuros diseños dentro de la misma faena.
2.1.7
Instalación de Ductos y Defectos Más Frecuentes en sus Tendidos y Uniones
•
En la instalación de los tendidos de ductos, cualquiera sea su tipo, las recomendaciones son de evitar al máximo el empleo de codos abruptos, quiebres o cambios de diámetro en el mismo tendido y de obtener un alineamiento lo más recto que sea posible dentro de la galería. Todo esto con vistas a reducir las pérdidas de caída de presión por choques, cambios bruscos del flujo de aire.Y las filtraciones de aire por las uniones entre tiras.
•
Los defectos más frecuentes en los tendidos de ductos metálicos son la falta de alineamiento y las fallas de las uniones por bridas, reemplazadas por materiales inadecuados y poco herméticos (como sacos de yute amarrados con alambres). Esto es evitable si se utilizan tiras con flanges apernados.
•
En tendidos de ductos plásticos el no uso de un cable de acero tensado para colgar y mantener alineadas las tiras, es el defecto más frecuente de instalación que provoca indeseados bloqueos por dobleces, estrechamientos de áreas y maltrato de los ductos por equipos en movimiento, con las consiguientes deformaciones y roturas.
Las uniones entre tiras de ductos aspirantes, tipo brida ajustable, frecuentemente se remplazan erróneamente por amarras de alambre, incrementando fuertemente las fugas de aire por este concepto y la destrucción prematura de la tela. Si el tendido requiere de piezas metálicas para bifurcaciones, es común encontrar defectos apreciables en cuanto a ángulos de salida, diferencias excesivas de diámetros y filtraciones en las uniones a los ductos. Para un mejor funcionamiento de estos sistemas, vale la pena costear la fabricación de estas piezas en base a un diseño adecuado (Ver ejemplo de diseño en lámina Pág. 221). En la unión del tendido al o los ventiladores del sistema, el defecto más frecuente es acoplar directamente el ducto y her-metizar esta unión defectuosa con cualquier material disponible. Como rara vez el diámetro del ventilador es similar al ducto, las pérdidas por cambio brusco de velocidad y turbulencias en este punto son apreciables y deben evitarse con la utilización de piezas metálicas diseñadas y fabricadas para el objeto (Ver ejemplo de plano de fab. en lámina Pág. 200).
2.1.8
Mantención de Ductería y Bodegaje
La mantención del alineamiento, tensión y unión entre tiras es una labor permanente que requiere de atención por parte de la supervisión de la faena, por el constante deterioro que éstas sufren por efectos de los disparos. Los ductos plásticos por su parte requieren de inspecciones periódicas para detectar roturas, reparaciones (parches) de roturas menores o del remplazo de tiras completas en caso de grandes roturas que sólo pueden repararse en la fábrica de origen. En cuanto al almacenamiento de ductos, es conveniente dedicarles una bodega centralizada donde se reciban las partidas de fábrica y las tiras ya usadas para su revisión y almacenaje temporal. Muchas obras descuidan este aspecto, con el consiguiente deterioro y pérdidas de material. La resistencia de los ductos de tela a la presión, estática + o - es entregada por cada fabricante y puede verse en lámina siguiente. Este dato característico que depende de la calidad de los materiales usados en la fabricación, es importante de tomar en cuenta cuando se usa más de dos ventiladores auxiliares en serie, ya que se puede sobrepasar él limite de la resistencia y el ducto puede romperse o colapsarse, sin recuperación posible.
2.3.2 Block Caving o Panel Caving Mecanizado con LHD u otros
Sobre la base del criterio de cálculo establecido por la Normativa Legal chilena, aplicable cuando no existe especificación al respecto por el fabricante, la Tabla 2.2 contiene los criterios para métodos de hundimiento mecanizados, actualmente utilizados en la DET. EN LA ACTUALIDAD, LA DIVISIÓN DISPONE DE LHDS DE 3,5 YD³ (139 HP), 6 YD³3 Y 7 YD³ (250 HP), DE 10 YD³ (350 HP) Y 13 YD³ (400 HP). ADEMÁS SE HA CONSIDERADO EL ACARREO DE MINERAL CON CAMIONES DE ALTO TONELAJE (80 TON) Y 475 HP DE POTENCIA EFECTIVA AL FRENO. CON LA APLICACIÓN DE ESTOS CRITERIOS AL SISTEMA MECANIZADO RESULTA UN ESTÁNDAR DE 40 – 50 CFM / TMS, QUE SON NECESARIOS DE INYECTAR COMO AIRE FRESCO Y UNA CANTIDAD EQUIVALENTE MÁS 10% QUE ES NECESARIO DE EXTRAER COMO AIRE CONTAMINADO. .
OPERACIÓN UNITARIA Polvorazo UCL Calle Prod. LHD 3,5 yd3 Calle Prod. LHD 6 ó 7 yd3 Calle Prod. LHD 10 yd3 Calle Prod. LHD 13yd 3 XC Traspaso Cámara Picado Sub-6 Sala de Chancado interior mina Túnel Correa FFCC Diferido Ten 5 Ten 6 XC Acarreo Camión 80 Ton XC FFCC Principal Teniente 8 Tolva Principal
POTENCIA EQUIPO (HP) 139 250 350 400
475
C AUDAL (CFM)
C AUDAL (M3/SEG)
120.000 – 70.000 25.000 30.000 35.000 40.000 20.000 4.000(*) 40.000-100.000 40.000 20.000(**) 48.000 45.000 40.000
56,64 – 33,04 11,8 14,1 16,5 18,8 9,4 1,9 18,8 – 47,2 18,8 9,4 22,7 21,2 18,9
TABLA 2.2: CRITERIOS DE CÁLCULO DE CAUDALES , BLOCK CAVING Y PANEL CAVING CON LHD. (*) C ÁMARA DE PICADO CON ACCIONAMIENTO REMOTO. (**) EL CAUDAL DEBE SER VERIFICADO POR EL CRITERIO DE CAMBIOS DE AIRE EN EL XC, ENTRE ENTRADA DE METALERO. 2.3.3 Infraestructura de Servicios
SALIDA Y
PARA DEFINIR LOS CAUDALES DE AIRE PARA ATENDER DEPENDENCIAS SUBTERRÁNEAS, TALES COMO OFICINAS, PAÑOLES, BODEGAS, TALLERES, POLVORINES, ETC. SE UTILIZARÁ COMO BASE INICIAL PARA EL CÁLCULO, LA RENOVACIÓN DE AIRE RECOMENDADA POR HORA, DE LA TABLA 3.3, CON LAS SIGUIENTES OBSERVACIONES: •Sala de Compresoras: Si las compresoras se refrigeran por aire, el caudal estará especificado por
el fabricante. En la TS/E: Debe ajustarse al requerimiento básico indicado en la Tabla 2.3 y a las necesidades de disipación de calor de cada recinto particular, especialmente cuando las subestaciones superan los 5 MW de potencia. abla 2.3 no se incluye también los accesos viales, cuyo requerimiento de aire se determinará en base a la demanda de tráfico de vehículos, por sobre otras estimaciones de caudales como demanda por calor generado, ya que por experiencia, éstos últimos suelen resultar deficitarios en la práctica (el Adit 71 presentó un 50% de déficit real en períodos de máxima demanda de tráfico vehicular).
CAUDALES DE AIRE RECOMENDADOS PARA VENTILAR DEPENDENCIAS SEGÚN CRITERIO DE NUMERO DE CAMBIOS DE AIRE DEL RECINTO POR HORA. Q = Volumen Recinto x Nº Cambios = CFM 60 Nº CAMBIOS POR HORA RECINTO FILTRADO INYECCIÓN EXTRACCIÓN ACEITERA ----------8 - 10 ----------BODEGA GASES INFLAMABLES ----------15 - 20 ----------BODEGAS GENERALES 4 – 6 --------------------C ANCHAS DE MADERA 6 – 8 --------------------PETROLERAS ----------15 ----------OBLIGADO FILTROS DE POLVO Y GASES C ASINO / COMEDORES MINA 18 (*) SOBREPRESION G ARAJE EQUIPOS DIESEL 8 (**) ----------L ABORATORIO INSTRUMENTACIÓN 15 ----------OBLIGADO FILTRO POLVO OBLIGADO FILTRO POLVO / OPTATIVO OFICINAS CON PC 10 - 12 ----------GASES
P AÑOL HERRAMIENTAS POLVORINES SUBTERRÁNEOS
5 – 7 6 – 8
---------------------
POLICLÍNICO
15 - 20
-----------
S ALA DE REUNIÓN
10 - 14
-----------
S ALA TRANSFORMADORES S ALA CARGA BATERÍAS
-----------
S ALA BOMBAS S ALA COMPRESORAS SERVICIO HIGIÉNICO SS/EE GENERALES T ALLERES MENORES
C ÁLCULO POR C ALOR
4
15 - 20
----------C ÁLCULO POR CONSUMO Y C ALOR DISIPADO ----------12 – 16 C ÁLCULO POR C ALOR 5 – 7 -----------
-------------------OBLIGADO FILLTRO POLVO Y GASES, SOBRE PRESIÓN OBLIGADO FILTRO POLVO GASES
/ OPTATIVO
------------------------------OBLIGADO FILTRO POLVO INYECCIÓN ----------OBLIGADO FILTRO POLVO -----------
T ABLA 2.3: CRITERIOS C ÁLCULO DE C AUDALES PARA VENTILAR DEPENDENCIAS SEGÚN DE NÚMERO DE CAMBIOS DE AIRE POR HORA. REQUIERE SISTEMA EXTRACCIÓN DE OLORES Y CALOR COCINA , POR DISEÑAR. • ** EN EL CASO DE LOS GARAJES DE MANTENIMIENTO DE EQUIPOS , SE DEBEN CONSIDERAR SISTEMAS DE CAPTACIÓN TIPO “PLAYMOVENT”, ES DECIR, MANGAS MÓVILES DE CAPTACIÓN DE CONTAMINANTES EN EL FOCO DE GENERACIÓN DE GASES. DE NO EXISTIR ESTOS SISTEMAS, EL CAUDAL NECESARIO DEBE SER CAPAZ DE GENERAR AL MENOS 12 RENOVACIONES DE AIRE POR HORA. FILTRO PARA MATERIAL PARTICULADO DE DOS ETAPAS GRUESO Y FINO PM10.
2.3.4
Preparación Minera - Desarrollos y Construcciones
PARA VENTILAR DESARROLLOS, EL CÁLCULO DE CAUDALES NECESARIOS DEBE AJUSTARSE A LOS REQUERIMIENTOS DE LOS EQUIPOS DIESEL CONSIDERADOS A EMPLEAR EN LAS FAENAS. PARA ELLO SE ENTREGA LA CORRESPONDIENTE TABULACIÓN (TABLA 2.4), CON LOS CÁLCULOS PARA UNO O MÁS EQUIPOS DE USO FRECUENTE EN LA MINA. Para el caso de las construcciones en los niveles de producción, traspaso y acarreo de mineral, con menos utilización de equipos diesel y menores emisiones de contaminantes gaseosos y particulados, se recomienda para estimar caudales globales, utilizar un 50% de los caudales requeridos para actividades continuas de producción, establecidos en el punto 2.3.2, Los equipos de preparación debido a su operación en cíclicos discretos requieren un menor caudal.
REQUERIMIENTO LEGAL DE AIRE PARA EQUIPOS DIESEL MINA ART 132º, D.S. No 132/02 Qc = 100 * HPequipo (ft3/min) EQUIPO
HP
CAUDAL (CFM) 100 % (1)
75 % (2)
50 % (3)
LHD 6 Y 7 YD3
250
30.000
22.500
15.000
LHD 3,5 YD3
139
13.900
10.425
6.950
LHD 2 YD3
110
11.000
8.250
5.500
LHD 1 YD3
55
5.500
4.125
2.750
JUMBO PERFORACIÓN FRONTAL
135
13.500
10.125
6.750
JUMBO PERFORACIÓN R ADIAL
78
7.800
5.850
3.900
JUMBO PERFORACIÓN SECUNDARIA
87
8.700
6.525
4.350
JUMBO APERNADOR
67
6.700
5.025
3.350
C AMIÓN PK 1600
78
7.800
5.850
3.900
C AMIÓN PK 100 GRÚA
67
6.700
5.025
3.350
C AMIÓN UT. TRANSPORTE
67
6.700
5.025
3.350
C AMIÓN EXPLOSIVO
67
6.700
5.025
3.350
JEEP
72
7.200
5.400
3.600
MOTONIVELADORA
117
11.700
8.775
5.850
BOTCAT
31
3.100
2.325
1.550
T ABLA 2.4: CRITERIOS
DE C ÁLCULO DE C AUDALES PARA VENTILAR PREPARACIÓN MINERA CON EQUIPOS DIESEL DENTRO DE LOS CIRCUITOS . C AUDAL REQUERIDO PARA UN EQUIPO DIESEL. C AUDAL REQUERIDO PARA UN SEGUNDO EQUIPO DIESEL. ESTE VALOR ES SUMADO AL ANTERIOR. C AUDAL REQUERIDO PARA UN TERCER O MÁS, EQUIPOS DIESEL. ESTE VALOR ES SUMADO AL ANTERIOR.
ESTE CRITERIO ES VÁLIDO PARA TÚNELES EN DESARROLLO DONDE SE UTILIZAN VARIOS EQUIPOS DIESEL ATENDIDOS EN UN MISMO SISTEMA DE VENTILACIÓN Y COMO TAL PUEDE HACERSE EXTENSIVA SU APLICACIÓN A LAS REDES VIALES DE LA MINA.
2.4
Consideraciones generales de aplicación de los criterios
El éxito de la utilización de los caudales de aire requeridos, aplicados tanto a un proyecto de ventilación como al control ambiental de las labores en operación, depende en gran medida de la experiencia de quienes proyectan o controlan y operan los sistemas de ventilación de la Mina.
La definición de los caudales de aire requeridos para las faenas mineras, se validan en el tiempo, mediante las evaluaciones de terreno, con los proyectos en operación, y por medio del análisis comparativo de sucesivos aforos de ventilación y con los resultados de muestreos de los contaminantes que se pretende controlar con este recurso. Por lo tanto, estos indicadores deberán revisarse y completarse a medida que dichas evaluaciones justifiquen modificar los caudales establecidos en este documento. Un soporte valioso para respaldar estas consideraciones en un futuro inmediato, en lo referente a la acción de los contaminantes en las personas, se debería obtener de la gestión y resultados anuales de Salud Ocupacional y de los monitoreos ambientales de la Sección Higiene Industrial, Para el contaminante polvo de sílice libre, presente en la mayoría de los procesos mineros, debe tomarse especial consideración en el hecho demostrado, de que la ventilación por sí sola no es capaz de reducir las concentraciones de material particulado a niveles bajo los límites permisibles ponderados (LPP) establecidos para la jornada normal de trabajo, incluso en algunos sectores de producción y traspaso de mineral, con tasas de ventilación que satisfacen los requerimientos legales, se han medido concentraciones superiores a los límites permisibles absolutos (LPA).
GUÍA METODOLÓGICA DE SEGURIDAD PARA PROYECTOS DE VENTILACIÓN DE MINAS Antecedentes según Decreto Supremo Nº 72, “Reglamento de
Seguridad Minera", del año 1985, cuyo texto refundido, coordinado y sistematizado fue fijado mediante D.S. Nº 132, de 2002, del Ministerio de Minería.
INDICE DE MATERIAS 1. PROYECTOS DE VENTILACION EN MINAS SUBTERRANEAS 1.1. Recomendaciones Generales ...................................................................05 1.2. Presentación de proyectos ........................................................................06 1.3. Índice del Proyecto.....................................................................................06 1.4. Resumen Ejecutivo del Proyecto................................................................06 1.5. Descripción General del Proyecto ..............................................................07 1.5.1 Antecedentes Técnicos Generales del Proyecto de Ventilación .....07 1.5.2 Antecedentes Técnicos Específicos del Proyecto de Ventilación.....08 2. DESCRIPCION GENERAL DE LOS METODOS DE VENTILACION DE MINAS SUBTERRANEAS...................................................................................09 2.1. Ventilación Natural ......................................................................................09 2.2. Ventilación Auxiliar ............................................................... .......................10 2.3. Uso de Aire Comprimido .............................................................................11 Fig.1. Esquema de tipos básicos de Ventilación Auxiliar....................................12 Fig.2. Art. 141, D.S. N° 72 .................................................................................13 3. CALCULO DE LOS CAUDALES REQUERIDOS............................................13 3.1. Generalidades .............................................................................................13 3.2. Requerimientos de aire ...............................................................................15 3.3. Cálculo de caudales parciales de aire por cada operación .........................15 3.4. Flujo de aire en Galerías o Ductos (Ley de Atkinson) .................................17 4. SELECCIÓN DE VENTILADORES...................................................................17 4.1. Punto de operación del sistema ..................................................................17 4.2. Potencia del Motor ......................................................................................18 5. LEYES DEL VENTILADOR...............................................................................19 6. CIRCUITOS COMPLEJOS..................................................................................20 6.1. Software de equilibrio de redes de ventilación ............................................20
ANEXO A: ....................................................................................................... ..22 Requerimientos de aire ...............................................................................................22 a) Caudal requerido por el número de personas .....................................................22 b) Caudal requerido por desprendimiento de gases................................................22 c) Caudal requerido por temperatura ......................................................................23 d) Caudal requerido por el polvo en suspensión .....................................................23 e) Caudal requerido por la producción ....................................................................23 f) Caudal requerido por consumo de explosivo ......................................................24 g) Caudal requerido por Equipo Diesel....................................................................25
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1. PROYECTOS DE VENTILACIÓN EN MINAS SUBTERRÁNEAS: SERNAGEOMIN, consciente de la importancia de incorporar la variable seguridad a los proyectos mineros del país, ha desarrollado estas guías metodológicas, con el propósito de que los empresarios mineros cuenten con un apoyo que les permita la aplicación correcta de la legislación vigente en materias de seguridad minera, en cada uno de sus proyectos, y a su vez logren un desempeño eficiente en la tramitación de ellos. Esta guía en particular, contiene, por lo tanto, las indicaciones necesarias para orientar al proponente en su trabajo de ventilación de las labores mineras, en el sentido de que su trabajo se enmarque dentro de la reglamentación contenida en el
1.1. Recomendación General: En todos los casos, la información presentada en los proyectos, debe ser lo suficientemente detallada para que el lector o revisor comprenda totalmente la naturaleza y extensión del proyecto propuesto, a fin de contar con los detalles suficientes que permitan una adecuada evaluación. Los planos y mapas que se presenten, deben ir ubicados dentro del informe, de manera que el acceso a ellos sea fácil, y a una escala adecuada. Puede presentarse una copia reducida que se incluya dentro del capítulo de descripción, adjuntando en el apéndice los planos tamaño original. El nivel de profundidad con que se debe desarrollar cada tema dependerá de la etapa en que se encuentre; de la magnitud del proyecto, y de su nivel de complejidad. 1.2. Presentación de proyectos: La presente guía se basa en la experiencia acumulada por el Servicio a través del tiempo, en manuales especializados de ventilación, y en algunas experiencias extranjeras que han sido consultadas. Para cumplir con lo establecido en el "Reglamento de Seguridad Minera", respecto a la presentación del proyecto, SERNAGEOMIN espera que la presentación contenga, al menos, lo siguiente: ♦ Índice ♦ Resumen Ejecutivo ♦ Descripción del Proyecto
1.3. Índice del Proyecto: Para una mejor lectura y una fácil ubicación de algún punto específico, al comienzo del proyecto, se debe agregar un Índice de las materias que contiene, con indicación del número, en la página correspondiente. 1.4. Resumen Ejecutivo del Proyecto: ♦ Etapa de construcción: Se deben describir los requerimientos necesarios para materializar las obras físicas. ♦ Etapa de operación: Se deben detallar las acciones, requerimientos, manejo de materiales e insumos y todos los aspectos necesarios para el funcionamiento adecuado de la ventilación, incluyendo sus medidas de control, conservación y 1.5. Descripción General del Proyecto: La descripción del proyecto proporciona la base sobre la cual se lleva a cabo la revisión de las normas que protegen la vida y salud de los trabajadores, las instalaciones e infraestructura que hacen posible las operaciones mineras y la continuidad de sus procesos. Por tanto, se debe incluir una descripción completa y detallada del sistema propuesto, basado en la experiencia del minero y los estudios realizados. La descripción del sistema de ventilación debe incluir una descripción resumida del método de explotación y los equipos necesarios. Normalmente, es una parte del Proyecto de Explotación y en tal caso en términos generales, la descripción del sistema deberá contener, si correspondiere, la siguiente información: ♦ Nombre de la mina u obra y objetivo de ello. ♦ Ubicación geográfica y política, de la mina u obra. ♦ Nombre del establecimiento. ♦ Nombre y ubicación de las pertenencias que amparan los lugares de trabajo, cuando corresponda. ♦ Nombre del propietario y representante legal de la empresa. ♦ Método o Métodos de explotación proyectados y sus parámetros principales. ♦ Profesionales mineros que firman el proyecto y prof esional minero responsable de la faena.
1.5.1 Antecedentes Técnicos Generales del Proyecto de Ventilación: a) Se deberá calcular la cantidad de aire requerido, considerando los siguientes aspectos: ♦ Velocidad del aire a la entrada del túnel ♦ Cantidad de aire para el equipo Diesel ♦ Cantidad de aire para la gente ♦ Aire necesario para diluir o remover los gases y el polvo ♦ Cantidad de aire adecuado para enfriar u otras necesidades. b) Cálculo de la caída de presión del sistema: ♦ Pérdidas por fricción y pérdidas por choque. c) Plano detallado de la mina u obra, indicando los sectores en que serán ubicados los equipos. d) Listado de equipos seleccionados. 1.5.2. Antecedentes Técnicos Específicos del Proyecto de Ventilación: a) Cálculo de los caudales parciales de aire por cada operación. ♦ Perforación. ♦ Carguío de explosivos, acuñaduras y trabajos varios al interior de la mina. ♦ Tronadura de avance y producción. ♦ Caudal requerido para carguío y transporte. b) Considerar en el cálculo de las pérdidas, las siguientes restricciones físicas: ♦ Espacio existente entre los equipos de carguío y transporte y la labor. ♦ Longitud del ducto. ♦ Problemas con el manejo de insumos o material suspendido en la labor. ♦ Daños potenciales de la tronadura y otras actividades.
c) Otras consideraciones: ♦ Los ductos y ventiladores deben ser calculados de manera que los ventiladores puedan mover el aire requerido. ♦ Señalar las direcciones preferentes del flujo de aire (succión y soplado). d) Potencia y eficiencia de los ventiladores, más ductería empleada.
2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MÉTODOS DE VENTILACIÓN DE MINAS: El sistema escogido será probablemente una combinación de los métodos que presentamos a continuación:
2.1. Ventilación Natural: La energía más barata y abundante en la naturaleza es el aire natural, que se utiliza en la ventilación para minas subterráneas. Este aire se introduce por la bocamina principal de ingreso, recorriendo el flujo del aire por la totalidad del circuito de ventilación, hasta la salida del aire por la otra bocamina. Para que funcione la ventilación natural tiene que existir una diferencia de alturas entre las bocaminas de entrada y salida. En realidad, más importante que la profundidad de la mina es el intercambio termodinámico que se produce entre la superficie y el interior. La energía térmica agregada al sistema se transforma a energía de presión, susceptible de producir un flujo de aire (el aire caliente desplaza al aire frío produciendo circulación).
La ventilación natural es muy cambiante, depende de la época del año, incluso, en algunos casos, de la noche y el día.
Dado que, la VENTILACIÓN NATURAL es un fenómeno de naturaleza inestable y fluctuante, en ninguna faena subterránea moderna debe utilizarse como un medio único y confiable para ventilar sus operaciones
2.2. Ventilación Auxiliar: Como ventilación auxiliar o secundaria, definimos aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan áreas restringidas de las minas subterráneas, empleando para ello circuitos de alimentación de aire fresco y de evacuación del aire viciado que les proporciona el sistema de ventilación general. Por extensión, esta definición la aplicamos al laboreo de túneles desde la superficie, aún cuando en estos casos no exista un sistema de ventilación general. Los sistemas de ventilación auxiliar que pueden emplearse en el desarrollo de galerías horizontales, utilizando ductos y ventiladores auxiliares son: ♦ Sistema impelente: El aire es impulsado dentro del ducto y sale por la galería en desarrollo ya viciado. Para galerías horizontales de poca longitud y sección (menores a 400 metros y de 3.0 x 3.0 metros de sección), lo conveniente es usar un sistema impelente de mediana o baja capacidad, dependiendo del equipo a utilizar en el desarrollo y de la localización de la alimentación y evacuación de aire del circuito general de ventilación de la zona. (Ver figura 1).
♦ Sistema aspirante: El aire fresco ingresa a la frente por la galería y el contaminado
es extraído por la ductería. Para ventilar desarrollos de túneles desde la superficie , es el sistema aspirante el preferido para su ventilación, aún cuando se requieren elementos auxiliares para remover el aire de la zona muerta, comprendida entre la frente y el extremo de la ductería de aspiración. (Ver figura 1.-). ♦ Un tercer sistema es el combinado, aspirante-impelente, que emplea dos tendidos de ductería, una para extraer aire y el segundo para impulsar aire limpio a la frente en avance. Este sistema reúne las ventajas de los dos tipos básicos, en cuanto a mantener la galería y la frente en desarrollo con una renovación constante de aire limpio y en la velocidad de la extracción de los gases de disparos, con la desventaja de su mayor costo de instalación y manutención. Para galerías de mayor sección (mayor a 12 m2), y con una longitud sobre los 400 metros, el uso de un sistema aspirante o combinado es más recomendable para mantener las galerías limpias y con buena visibilidad para el tráfico de vehículos, sobre todo si éste es equipo diesel. (Ver figura 1.-). Hoy día, es la ventilación impelente la que más se usa, ya que el ducto es una manga totalmente flexible, fácil de trasladar, colocar y sacar. En este caso, el ventilador al soplar infla la manga y mueve el aire. En el caso de la ventilación aspirante, estas mangas deben tener un anillado en espiral rígido lo que las hace muy caras.
El uso de sistemas combinados, aspirante – impelentes, para ventilar el desarrollo de piques verticales, es también de aplicación práctica cuando éstos se desarrollan en forma descendente y la marina se extrae por medio de baldes . En estos casos, el uso de un tendido de mangas que haga llegar aire fresco al fondo del pique en avance es imprescindible para refrescar el ambiente. La aplicación de sistemas auxiliares para desarrollar galerías verticales está limitada a su empleo para ventilar la galería donde se inicia el desarrollo de la chimenea o pique, dado que la destrucción de los tendidos de ductos dentro de la labor vertical por la caída de la roca en los disparos es inevitable (en su reemplazo se utiliza el aire comprimido). 2.3. Uso de Aire Comprimido: Por su alto costo, en relación a la ventilación mecanizada , el uso del aire comprimido para atender la aireación de desarrollos debe limitarse exclusivamente a aquellas aplicaciones donde no es posible por razones prácticas el utilizar sistemas auxiliares de ventilación como es el caso particular del desarrollo manual de chimeneas o piques inclinados.
FIGURA 1.-
El uso de sopladores de aire comprimido para ventilar los desarrollos horizontales , se debe limitar a aquellas galerías de pequeña sección que por la falta de espacio físico no hacen posible los tendidos de mangas de ventilación y para acelerar la salida de los gases en los sistemas aspirantes, instalando los sopladores en el extremo de la cañería de aire comprimido cercana a las frentes (zona muerta), siempre que no sea posible el uso de ventiladores eléctricos portátiles con manga lisa que impulse aire a la frente en avance. ART. 141, DS 72: En las galerías en desarrollo donde se use ventilación auxiliar, el extremo de la tubería no deberá estar a más de 30 metros de la frente (ver figura 2).
FIGURA 2.-
3. CALCULOS DE LOS CAUDALES REQUERIDOS: 3.1. Generalidades: El objetivo principal de un estudio de ventilación de minas, es determinar la cantidad y calidad del aire que debe circular dentro de ella. Los factores que influyen en la determinación de este caudal, dependen de las condiciones propias de cada operación y del método de explotación utilizado. El caudal necesario, para satisfacer las necesidades tanto del personal como de los equipos que en conjunto laboran al interior de la mina, se establecen de acuerdo a los requerimientos legales, normas de confort y eficiencia del trabajo. Este caudal debe garantizar la dilución de los gases generados tanto por los equipos y maquinarias de combustión interna (Diesel), como los gases provenientes de la tronadura y los polvos asociados a las distintas operaciones. La normativa a cumplir en Chile, son el Reglamento de Seguridad Minera D.S. N° 72 , del Ministerio de Minería, artículos desde el N° 132 al N° 151 y el artículo N° 66 del D.S. N° 594, Reglamento sobre condiciones ambientales básicas en lugares de trabajo, del Ministerio de Salud. El aire, al pasar por una mina sufre cambios en su composición, principalmente de disminución de oxígeno. En minas poco profundas, el clima dentro de las minas, no presenta mayores preocupaciones, pero cuando tienen profundidades superiores a 1.000 metros, éste es un problema que debe ser atendido. La acción de temperaturas elevadas sobre el personal, pueden incluso provocar la muerte.
Ventiladores Minas de Carbón en Virginia, U.S.A .
3.2. Requerimientos de aire : Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al personal y el número de equipos que trabajan al interior de las labores en los niveles que componen la mina, además de conocer el método de explotación. El cálculo de las necesidades, permitirá ventilar las labores mineras en forma eficiente, mediante un control de flujos tanto de inyección de aire fresco, como de extracción de aire viciado. Esto permite diluir y extraer el polvo en suspensión, gases producto de la tronadura o de la combustión de los vehículos. Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros operacionales:
Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros operacionales: ♦ Caudal requerido por el número de personas. ♦ Caudal requerido por desprendimiento de gases según Norma Chilena ♦ Caudal requerido por temperatura. ♦ Caudal requerido por el polvo en suspensión ♦ Caudal requerido por la producción. ♦ Caudal requerido por consumo de explosivos ♦ Caudal requerido por equipo Diesel 3.3. Cálculo de los caudales parciales de aire por cada operación: a) Perforación Mecanizada (Jumbo) b) Carguío de explosivos, acuñaduras y trabajos varios interior mina. c) Tronadura de avance (tiempo de dilución de 30 minutos) d) Tronadura de banqueo (tiempo de dilución 180 minutos) e) Caudal requerido por la producción. f) Caudal requerido por carguío y transporte El caudal parcial para cada operación se deberá calcular, de acuerdo a normativa de suministrar 2.83 m3/min. por cada HP motor de todo equipo diesel en operación (equivalente a 100 pie3/min. por cada HP motor) (Art. 132, D.S. Nº 72 ). Al caudal de aire obtenido, según flota diesel operativa, se le debe agregar el caudal requerido por la totalidad de personas trabajando al interior de la mina ( Art. 132 y 138, D.S. Nº 72 ).
Una vez calculados los caudales, según los distintos aspectos considerados (puntos a) hasta f), se debe efectuar un análisis para determinar cuál caudal se debe considerar y cuál suma de ellos. Luego, a la cantidad determinada es aconsejable considerar un porcentaje de aumento a causa de pérdidas y filtraciones, por ejemplo, un 30 %. Q filtraciones = 30% de Q req Por lo tanto:
Q TOTAL = [Q req + Q filtraciones]
VENTILADORES MINA EL SALVADOR
3.4. Flujo de aire en Galerías o Ductos (Ley de Atkinson) Cuando el aire fluye a través de un ducto o galería minera, la presión requerida para mover el aire a través de él depende no sólo de la fricción interna, sino también del tamaño, longitud, forma del ducto, velocidad y densidad del aire. Todos estos factores son considerados en la ecuación de J. Atkinson, denominada “Ley de Atkinson”
P = K C L V² / A Donde P = Pérdida de presión [Pa] K = Factor de fricción [Ns² / m4] C = Perímetro [metros] L = Longitud [m.] V = Velocidad [m / seg.] A = Área [ m² ] A partir de esta ley, se pueden calcular K y la caída de presión estática. En adelante, se usará la letra P para el cálculo de potencia y la caída de presión (pérdida de presión) se pasará a llamar H. Conocidos el Caudal (Q) y la Caída de Presión (H) a cierta densidad del aire (W), se establece el punto operacional para el sistema. 4. SELECCIÓN DE VENTILADORES : Para ventilar una mina se necesitan ciertas cantidades de flujo de aire, con una caída de presión determinada, a cierta densidad del aire. Conocidas la caída y el caudal de la mina (Punto de operación del sistema), existen casi un número infinito de ventiladores en el mundo que satisfacen el punto operacional adecuado. Se deberá especificar el punto de operación (Q vs. H Sist.) del ventilador requerido, a fin de que los proveedores coticen la unidad ventiladora con la potencia de motor eléctrico correspondiente, que satisfaga dicho punto. La especificación debe incluir además, la altura geográfica en donde se instalará dicho equipo.
4.1. Punto de Operación del Sistema: Existen cientos de ventiladores que satisfacen cada Caída-Caudal característica. Además, cada ventilador puede variar su velocidad (RPM), las paletas o el diámetro. Todas estas características, esenciales para la selección del ventilador adecuado, pueden ser obtenidas de los fabricantes . Las curvas de funcionamiento vienen trazadas en función de las variables operacionales principales: Caídas de Presión ( H), Caudal (Q), Potencia (P) y Eficiencia (η) a densidad de aire normal, que a nivel del mar es de [¨1.2 Kg. / m³] ( W) A una altura de 3.600 m.s.n.m. por ejemplo, la densidad del aire es de [0.866 Kg. / m³], razón por la que la densidad debe corregirse por aquélla en donde se desempeñará la unidad. La forma habitual del trazado de curvas es graficar el Caudal versus las demás variables (caída estática, caída total, potencia al freno, eficiencia estática y eficiencia total). Normalmente, se logra una ventilación efectiva cuando se emplean varios ventiladores principales, los que se ubican de preferencia en las galerías principales de ventilación o en piques en la superficie y se distribuyen de manera que la carga o caída de presión del sistema esté dividido en forma equitativa entre los ventiladores.
4.2 Potencia del motor: La potencia que se debe instalar, con un factor de servicio de al menos 1.15, es mayor que la Potencia a consumir Las consideraciones que deben hacerse para calcular la potencia del motor son: Q = Caudal de aire en m³/seg. H = Depresión del circuito en Pa (presión estática en Pascales) P = Potencia del motor en Kw. η = Eficiencia del ventilador, la cual varía entre 70 a 85% (dependiendo de la
fabricación, tamaño y punto de trabajo). AHP = Potencia necesaria para mover el caudal Q de aire en un circuito cuya depresión es H, en Kw. BHP = Potencia al freno del ventilador, en Kw. DE = Eficiencia de la transmisión, la cual varía entre 90% para transmisión por poleas y correas, y 100% para transmisión directa. ME = Eficiencia del motor, la cual varía entre 85% a 95%. Como la Potencia del motor es directamente proporcional a la cantidad de aire y a la pérdida de presión del circuito se tendrá que: 1) AHP = Q x H / 1000 2) BHP = Q x H / 1000 x η 3) P = Q x H / 1000 x η x DE x ME
5.- LEYES DEL VENTILADOR: Se considera N = la velocidad de rotación del ventilador. La forma en que afecta al volumen de aire movido, a la presión capaz de producir y a la energía absorbida por el ventilador , constituyen las leyes de rendimiento básico de cualquier ventilador. Estas relaciones son: Q≈N H ≈ N² P ≈ N³
Estas leyes se aplican prescindiendo del sistema de unidades usadas, siempre que sean consistentes. Su importancia radica en que si la resistencia del sistema contra el cual está operando el ventilador no cambia, aunque aumentamos la velocidad del ventilador, por ejemplo al doble: Q1/Q2 = N1/N2 = ½ > Q2 = 2 x Q1 (El Caudal aumenta al doble) H1/H2 = (N1/N2)² = ¼ > H2 = 4 x H1 (La Presión aumenta 4 veces) P1/P2 = (N1/N2)³ = 1/8 > P2 = 8 x P1 (La Potencia aumenta 8 veces)
Esto indica que la decisión de aumentar la velocidad del ventilador tiene efectos considerables en la energía requerida.
DUCTERIA MINA EL SALVADOR
6. CIRCUITOS COMPLEJOS: Cuando la conexión entre las galerías se hace más complicada, no pudiendo reconocer en el circuito conexiones en paralelo, serie o diagonal, se debe recurrir a otros métodos de cálculo más complejos que, generalmente, requieren ayuda de instrumentos y/o computadores
6.1 Software de equilibrio de redes de ventilación: Una vez resuelto el caudal resultante, se puede realizar una simulación de la malla definitiva del proyecto, imponiendo en la rama que repres enta la estocada en que se instalará el ventilador principal, el caudal de aire de diseño y la presión estática del punto. El trazado estará compuesto además por la vía principal de aire fresco y la chimenea de extracción general conectada con la superficie. Para imputar los datos de cada una de las ramas, se define una malla equivalente tomando como soporte por ejemplo, el dibujo en AutoCad del circuito asociado al Proyecto. Se carga el software con la malla real del circuito, asignando las cotas y largos reales a cada tramo. Para la simulación, se requieren los siguientes parámetros generales: ♦ Densidad del aire : 1,2 Kg./ m³ (sin factor de corr ección) ♦ Eficiencia del Ventilador : 75% (por defecto) ♦ Coeficientes de fricción : K Para abordar las distintas situaciones a las que se verá enfrentada la explotación del proyecto, se generan varios escenarios representativos. Cuando se desea evitar que el caudal de aire aumente en demasía en una dirección, se deberá adecuar un regulador cuya dimensión variará de acuerdo a cada escenario. El escenario más desfavorable o de mayor resistencia debe sensibilizarse con los valores del consumo de energía y de la construcción. Entre dos alternativas que presenten un gasto combinado energético y de construcción similar, se preferirá aquélla que acepte mayor caudal de aire, por si las condiciones de explotación de otro sector así lo necesitan. De acuerdo al resultado de esta simulación, que entrega como producto final el “punto de operación del sistema” (ejemplo: Caudal Q = 1.600 m³/min. y Caída de presión Ps = 127 mm. de columna de agua), se seleccionarán los ventiladores de la instalación.
6.2. Sistema de monitoreo y control centralizado: Dado que la instalación de ventiladores de mediana capacidad, actuando como reforzadores para atender niveles de producción, reducción y hundimiento, es una opción de alta probabilidad de implementación futura, es necesario que, en la eventualidad de proponer la instalación y operación masiva de un alto número de tales ventiladores al interior de los sectores, se considere la implementación de un Sistema de Monitoreo y Control Centralizado (del tipo Inteligente ó Semi-inteligente) del estado y operación de estos equipos. El mismo concepto es válido para la eventualidad de que, al interior del proyecto se proponga instalar reguladores de flujos de aire, los cuales además de poder ser operados en forma manual (control local), puedan también ser conectados a un sistema de monitoreo y control a distancia (actuación de tipo tele comandado).
ANEXO A: Requerimientos de aire : Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al personal y el número de equipos que trabajan al interior de las labores en los niveles que componen la mina, además de conocer el método de explotación. El cálculo de las necesidades, permitirá ventilar las labores mineras en forma eficiente, mediante un control de flujos tanto de inyección de aire fresco, como de extracción de aire viciado. Esto permite diluir y extraer el polvo en suspensión, gases producto de la tronadura o de la combustión de los vehículos. Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros operacionales: a) Caudal requerido por el número de personas: El Art. N° 138 del D.S. N° 72 ., exige una corriente de aire fresco de no menos de tres metros cúbicos por minuto (3 m³/ min.) por persona, en cualquier sitio del interior de la mina. Q= F x N (m³/ min.) Donde: Q = Caudal total para “n” personas que trabajen en interior mina (m³/ min.)
F = Caudal mínimo por persona (3 m³/ min.) N = Número de personas en el lugar. A pesar que este método es utilizado con frecuencia, se debe considerar “F” sólo como
referencia, pues no toma en cuenta otros factores consumidores de oxígeno, como lo son la putrefacción de la madera, la descomposición de la roca, la combustión de los equipos, etc. b) Caudal requerido por desprendimiento de gases Según Norma Chilena: Q= 0.23 x q (m³/ min.) Donde: ♦ Q = Caudal de aire requerido por desprendimiento de gases durante 24 horas
c) Caudal requerido por temperatura: La legislación chilena señala que la temperatura húmeda máxima en el interior de la mina no podrá exceder de 30 º C, para jornadas de trabajo de 8 horas. Como norma para el cálculo del aire respecto a la temperatura, se dan los siguientes valores: HUMEDAD RELATIVA
TEMPERATURA SECA
VELOCIDAD MINIMA
< ó = 85 % > 85 %
24 a 30 º C > 30 º C
30 m./min. 120 m./min.
Para una labor de 20 m² (5 X 4 m.) 600 m³/min. 2240 m³/min.
d) Caudal requerido por el polvo en suspensión: El criterio más aceptado es hacer pasar una velocidad de aire determinado por las áreas contaminadas y arrastrar el polvo, a zonas donde no cause problemas. Según el Art. N° 138 D.S. N° 72 la velocidad promedio en los lugares de trabajo no debe ser inferior a los quince metros por minuto (15 m./min.). Para lugares con alta generación de polvo, este valor puede ser considerado hasta un 100% mayor. Hasta ahora, no hay método de cálculo aceptado por todos, que tome en cuenta el polvo en suspensión. Pero, velocidades entre 30 a 45 m./min. son suficientes para mantener las áreas despejadas. En Chile, la velocidad máxima permitida en galerías con circulación de personal es de 150m/min. Reglamento de seguridad Minera (RSM)
e) Caudal requerido por la producción: Este método es usado generalmente en minas de carbón. Para minas metálicas, se debe tomar en cuenta el consumo de madera, ya que ésta fijará el porcentaje de CO2 existente en la atmósfera. El cálculo se basa sobre la suposición de que la cantidad de gas (CH4 y CO2) que se desprende es proporcional a la producción, expresado en forma matemática: Q = T x u (m3/min.) Donde: Q = Caudal requerido por toneladas de producción diaria (m3/min.) u = norma de aire por tonelada de producción diaria expresada en (m3/min.) T = Producción diaria en toneladas. Para minas de carbón, "u" varía generalmente entre 1 a 1,7 (m3/min.). En minas metálicas, con poco consumo de madera, varía entre 0,6 a 1 (m3/min.). Si el consumo de madera es alto, puede llegar hasta 1,25 (m3/min.) Un buen criterio es SUMAR el caudal necesario calculado según el personal que trabaja en la mina, con el caudal necesario calculado según el equipo Diesel y aumentar este total en un 20% o más por cortocircuitos o pérdidas. f) Caudal requerido por consumo de explosivo: La fórmula que se conoce para este cálculo puede ser cr iticada, ya que no toma en cuenta varios factores que se expondrán después de presentarla. Al tratarse de minas metálicas, este método es el que más se usa. Toma en cuenta la formación de productos tóxicos por la detonación de explosivos, el tiempo que se estima para despejar las galerías de gases y la cantidad máxima permitida, según normas de seguridad, de gases en la atmósfera.
Para el cálculo de este caudal, se emplea la siguiente relación empírica:
Q = 100 x A x a dxt
(m3/min.)
Donde: Q = Caudal de aire requerido por consumo de explosivo detonado (m3/min.) A = Cantidad de explosivo detonado, equivalente a dinamita 60% (Kg.) a = Volumen de gases generados por cada Kg. de explosivo. a = 0.04 (m³/Kg. de explosivo); valor tomado como norma general d = % de dilución de los gases en la atmósfera, deben ser diluidos a no menos de 0.008 % y se aproxima a 0.01 % t = tiempo de dilución de los gases (minutos); generalmente, este tiempo no es mayor de 30 minutos, cuando se trata de detonaciones corrientes. Reemplazando en la fórmula tendremos: Q = (0,04 x A x100)/(30 x 0,008) m3/min. Entonces, tendríamos finalmente: Q = 16,67 x A (m3/min) La fórmula trata este caso como si fuera a diluir los gases dentro de un espacio cerrado, lo que no es el caso de una mina donde parte de los gases se eliminan continuamente de la frente por el volumen de aire que entra. Además, los gases tóxicos se diluyen continuamente con la nube de gases en movimiento con el aire limpio. Por último, cada gas tóxico que se produce tiene propiedades distintas a las demás, luego necesitan diferentes porcentaje de dilución, entonces "d" dependerá del explosivo que se esté usando.
g) Caudal requerido por equipo Diesel: El art. N° 132 del “R.S.M.” (D.S. N° 72) recomienda un mínimo de 2.83 (m3/min) por HP al freno del equipo para máquinas en buenas condiciones. Se debe aclarar que los 2,83 m³/min. del art. N° 132 son el mínimo caudal de aire requerido y no acepta factores de corrección. Por lo demás, se pide la potencia al freno o potencia bruta, que es la máxima potencia proporcionada por el motor sin tener en cuenta las pérdidas por transmisión, si es que no se cuenta con la curva de potencia entregada por el fabricante (gráfico KW vs. RPM) o con una recomendación de ventilación para el equipo proporcionada por el fabricante y certificada por algún organismo confiable. Para aclarar mejor el punto anterior, se debe calcular el requerimiento de aire de cada equipo diesel, multiplicando 2,83 por la potencia y por el número de equipos que trabajan en el momento de máxima producción, eliminando aquéllos que están fuera de la mina, en reserva o en mantención. Se puede además, determinar con suficiente aproximación, la cantidad necesaria de aire normal para diluir un componente cualquiera del gas de escape diesel a la concentración permisible, a partir de la siguiente fórmula:
Q=Vxc y
( m3/min.)
