1
VENTILACION DE MINAS NIVEL INTERMEDIO - AVANZADO
DR. Felipe Calizaya Consultor Intercade
2
VENTILACION SUBTERRANEA
Introducción
Principios Fundamentales • Reconocimiento del Problema. • Mediciones y Evaluación. • Control por Ventilación.
Conceptos Básicos
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2 3
INTRODUCCION La ventilación es y debe ser parte esencial en la oper op erac ació ión n de un una a mina mina. Si no hay ventilación no hay producción. El aire no puede abandonadas.
ser
desperdiciado
en
labores
Es necesario controlar las fugas de aire. Una vez cont conta amina inado, el air aire vicia iciad do de deb be ser expu expuls lsad ado o inmediatamente.
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4
CONCEPTOS BASICOS DE VENTILACION Leyes de Ventilación • Ecuación Básica de Energía. • Ecuación de Atkinson.
Circuitos de Ventilación •
Leyes de Kirchhoff.
•
Circuitos en Serie y Paralelo.
•
Circuitos Complejos.
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2 3
INTRODUCCION La ventilación es y debe ser parte esencial en la oper op erac ació ión n de un una a mina mina. Si no hay ventilación no hay producción. El aire no puede abandonadas.
ser
desperdiciado
en
labores
Es necesario controlar las fugas de aire. Una vez cont conta amina inado, el air aire vicia iciad do de deb be ser expu expuls lsad ado o inmediatamente.
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CONCEPTOS BASICOS DE VENTILACION Leyes de Ventilación • Ecuación Básica de Energía. • Ecuación de Atkinson.
Circuitos de Ventilación •
Leyes de Kirchhoff.
•
Circuitos en Serie y Paralelo.
•
Circuitos Complejos.
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3 5
CONTAMINANTES CONTA MINANTES DEL AIRE Contaminantes en Minas Metálicas • Humo y productos de Diesel (hollín). • Gases tóxicos, polvo grueso y respirable. • Calor y radiación.
Contaminantes en Minas de Carbón • Metano y sulfuro de hidrógeno. • Productos de Diesel, polvo grueso y respirable.
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MONITOREO MONITORE O Y EVALUACION EVALUACION Hoy, Hoy, detectores electrónicos son utilizados.
Detectores de Gases: • Detectores Múltiples (ITX Multi-gas). • Detectores Individuales (MSA Mini- Responder). • Otros (Detectores Drager, Drager, etc.)
Detectores de Polvo: • Detectores ESCORT ESCORT (Incluye: Una bombilla de aire, filtro y ciclón, una microbalanza). Todos estos instrumentos deben ser calibrados. Dr. Felipe Calizaya -
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4 7
CONTROL DE CONTAMINANTES POR VENTILACION Ventilación Mecánica • Ventilación Primaria usando Ventiladores. • Ventilación Auxiliar.
Otros Métodos y Ventilación • Drenaje de gas y ventilación. • Refrigeración del aire y ventilación. • Ventilación local.
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LEYES DE VENTILACION •
Ecuación Básica de Energía
•
Ecuación Modificada de Energía
•
Pérdidas de Energía Hf: Pérdida por fricción (el más importante!) HX: Pérdida por choque (obstrucciones) HV: Pérdida por velocidad (dinámica)
•
Potencia del Aire
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5 9
¿QUE ASUMIMOS? El aire es un fluido incompresible La densidad del aire no cambia con elevación.
Leyes de Mecánica de fluidos pueden ser usadas directamente Razonamiento: • Las ecuaciones son simples. • Para minas de profundidad moderada (< 500 m) la exactitud de cálculos es aceptable. • Sólo minas profundas requieren de otros cálculos. Dr. Felipe Calizaya -
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10
ECUACION BASICA DE ENERGIA P1 A1 V
1
P2 A2 V
1
2
2
W
h1
h2
LT
Referencia 2
V + P + 1
2 g
1
γ
h1 =
V
2
2
2 g
+
P
2
γ
+ h2 + hL
Equation de Bernoulli: HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL Dr. Felipe Calizaya -
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6 11
ECUACION MODIFICADA DE ENERGIA Ecuación de Bernoulli (en presión absoluta): HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL Donde: HV1= Energía dinámica, HS1 = Energía estática, H Z1= Energía potencial. Un aumento de 70 pies en elevación aumenta Hz en 1” de H2O y disminuye la presión barométrica Hs, en otra pulgada.
Convención: Omita Hz y use presión manométrica. Ecuación Modificada:
HV1 + HS1 + = HV2 + HS2 + hL
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12
ECUACIONES UTILES DEL AIRE Peso Específico
w=
P b * T
Pb = Presión Barométrica, lb/p2 °
N R =
V * D
υ
V = velocidad, p/s; D = diam, p;
Presión de Velocidad:
Temp. absoluta = 460 + td Z = Elevación, pies (p)
R = 53.35 lb/lb R Número de Reynolds:
w 2 = w 1 exp (− Z / RT )
= 6250*V * D
υ
= 1.6 E-4 p2/s
V H v = w * 1098
2
Hv = Presión de Velocidad, pulgadas de H 2O; V = Velocidad, p/min Dr. Felipe Calizaya -
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7 13
CAIDA DE PRESION POR FRICCION 1
2
D
V L
Ecuación de Darcy:
λ * w * L *V 2 H l = 2 * D λ
(1)
= coeficiente de fricción
Ecuación de Atkinson: En Ecuación 1 haga D = 4A/Per, V = Q/A, y k =
λ*w/8
Ecuación de Atkinson Dr. Felipe Calizaya -
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14
ECUACION DE ATKINSON h L = R * Q 2 =
k * Per * L 5 .2
3
Q2
Donde: hL = Caída de presión, pulg. de agua (“ H2O) R = Resistencia del ducto, pulg.-min2 /p6 Q = Caudal de aire, p/m; = Velocidad * Area k = Factor de Fricción, lb-min 2 /p4 Para Unidad Internacional, cambie: K = k*1.855 E+6 El coeficiente - k
aumenta con la rugosidad del ducto y presencia de obstrucciones. Dr. Felipe Calizaya -
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8 15
Cuadro 1. Valores del Coeficiente - k para Minas Metálicas (Estandarizados para el Nivel del Mar) Descripción del Ducto
Factor - K Kg./m3
Factor - k lb-min2/ft4*E-10
Galería Rampa Pique (áspero)
0.00879 0.01158 0.01126
47.4 62.4 60.7
Pique (liso)
0.00466
25.1
Galería de Banda Galería de TBM
0.01399 0.00440
75.4 23.7
(Fuente: Prosser & Wallace, 1999, 8 th US Mine Ventilation Symposium)
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16
Cuadro 2. Valores del Coeficiente - k para Minas de Carbón (Estandarizados para el Nivel del Mar) Factor - K Kg./m3
Factor - k lb-min2/p4*E-10
0.00753
40.6
Galería de Salida
0.0072
47.0
Galería de Banda
0.01058
57.0
Galería Enmaderada
0.06781
365.5
Descripción del Ducto Galería de Entrada
(Fuente: Prosser & Wallace, 1999, 8 th US Mine Ventilation Symposium)
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9 17
UNA GALERIA ES UN DUCTO DE VENTILACION Dr. Felipe Calizaya -
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18
Ventilador
Profundización de un Pozo
(125 HP)
Ducto Rígido
Sistema Compuesto
Caudal Requerido
Ventilador (60 HP)
A = 211 p 2 V = 150 p/min Q o = 32,000 p 3 /min
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10 19
DESARROLLO DE GALERIAS MULTIPLES L2 = 150 m
Entrada
Frente 1
Fuga
e t r o c e R
Muro de Ventilación
Salida 20 m
Frente 2
Ventilador Secundario
Q o = 40,000 p 3 /min
Caudal: 100,000 p3 /min
Sistema de ventilación usado para ventilar desarrollos largos (de varios km) Dr. Felipe Calizaya -
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CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Ejemplo 1. Dado el siguiente sistema: d 30 kcfm
D 3 = 36 in L = 500 ft
a
D 1 = 24 in, L = 800 ft
c b D 2 = 30 in, L = 800 ft
Determine: Hs, Q1 y Q2
Solución: Segmento
D (in)
A (ft2)
Per (ft)
L (ft)
K *E-10
R *E-10
a-c
24
3.14
6.28
800
15
468.11
b-c
30
4.91
7.85
800
15
153.04
c-d
36
7.07
9.43
500
15
38.49
Re= 100.4 E-10; Hs= 9.04in.wg; Q1=10.9 kcfm; Q2= 19.1 kcfm Dr. Felipe Calizaya -
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11 21
CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Ejemplo 2: Determine Re para la siguiente red: R = Resistencia *E-10
Extractor 0.4
11
1
0.2 0.1
R = 0.1
0.3
6
0.1
8
10
0.1
7
0.3
16
0.2
9
2
0.2
5
3
0.1
5
0.3
12
0.3
13
0.1
Solución: Re = 0.383 E-10
4
Si QT = 500,000 p3/min; He = 9.58 “H2O Dr. Felipe Calizaya -
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22
CIRCUITOS COMPLEJOS R = Resistencia *E-10
15
Extractor 11
Esta en paralelo
7
0.4
1
0.2
0.1
0.3
6
8
0.1 10
0.1 R = 0.1
0.3
16
0.2 No esta en paralelo
9
2
0.2
5
3
5
0.3
14
0.1
12
13
0.3
0.1
Determine: Re = ?
4
Tapones Dr. Felipe Calizaya -
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12 23
VENTILADORES PRIMARIOS
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24
VENTILADOR PRIMARIO (TIPO CENTRIFUGO) Dr. Felipe Calizaya -
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13 25
ORCOPAMPA
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26
CALIDAD DEL AIRE EN MINAS SUBTERRANEAS
Introducción.
Calidad del Aire en Minas Subterráneas.
Contaminantes del Aire.
Control de Contaminantes.
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14 27
INTRODUCCION
La calidad de aire en minas subterráneas es controlada por ventilación mecánica. El
aire
fresco
es
suministrado
para
diluir
los
contaminantes sólidos y gaseosos. El aire es también utilizado para controlar el calor.
El problema es como determinar el caudal mínimo de aire (requerido), Qo.
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28
Ventiladores
Aire Viciado = Aire Limpio + Contaminantes
Pozos
Mineral Reservas Salidas de Aire
Entradas de Aire
Mineral
Talleres
Parajes
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15 29
Nivel de Hundimiento
Producción Ventilación
Reducción Transporte Por Camiones
Acceso Principal
Niveles de Trabajo en una Mina de Hundimiento Dr. Felipe Calizaya -
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30
EQUIPOS DE TRABAJO
Pala de 14 yd3 de capacidad (475 HP de Potencia)
Martillo Picador
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16 31
LEGENDA Entrada
0.3 M
R
LW 2A
o 1.0M t n e i m i d n u H
Salida 0.3M Caudal de gas Mp3/d R Regulador LW Frente Largo
1.0 M R
q = 0.3M C e t n e r F
Muro R
R
Entrada R
Salida Salida Auxiliar
Banda
Ventilador
Red de Ventilación de una Mina de Carbón Dr. Felipe Calizaya -
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Excavador Mecánico
Soporte Hidráulico
Banda móvil Banda de Transporte Sala de Control
Excavador Continuo de Frente Largo Dr. Felipe Calizaya -
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17 33
EXCAVADOR CONTINUO PARA FRENTES LARGOS Dr. Felipe Calizaya -
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34
ESTIMACION DE Qo Esta estimación es la parte más empírica en el diseño de un sistema de ventilación. Qo es el caudal necesario contaminantes de aire.
para
remover
los
Para determinar Qo es necesario saber: •
Caudal de contaminantes emitidos (q).
•
Concentraciones máximas permisibles (TLV).
(TLV = Threshold Limit Value) Dr. Felipe Calizaya -
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18 35
REQUERIMIENTOS DE AIRE FRESCO (De acuerdo a MSHA de EE.UU.) Parte 57.22213: Para minas metálicas Caudal mínimo por frente de trabajo: 6000 CFM Velocidad mínima en último recorte: 40 FPM Parte 75.22213: Para minas de carbón Caudal mínimo en el último recorte: 9000 CFM Velocidad mínima en el frente de trabajo: 60 FPM Recomendación: mantener velocidades > 150 FPM Dr. Felipe Calizaya -
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36
ESTIMACION DE Qo Una vez conocido el caudal de emisión de los contaminantes, el volumen del aire puede ser calculado utilizando la ecuación de dilución. Q o = Caudal de aire
q (100%) Q o B
B = Concentración inicial
Q o + q TLV
Qo =
q = Caudal del gas/ polvo TLV = Límite permisible
q TLV − B
El problema es cómo determinar el caudal de emisión de los contaminantes (q). Dr. Felipe Calizaya -
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19 37
ESTIMACION DE Qo Ejemplo 1: La oxidación de sulfuros en un tope libera 4x10-5 m3 /s de SO2. Si el límite permisible del gas es de 5 ppm, ¿cuál es el caudal requerido?
Solución:
Q
o
=
q C −
(1)
q = 7 x10-5 m3/s
C = 5ppm (= 5 x10-6);
B=0
Qo = 14 m3/s
Este es el caudal mínimo de aire limpio que debe ser circulado por el tajo. Dr. Felipe Calizaya -
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38
Q
o
=
q C −
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20 39
CALIDAD DEL AIRE EN MINAS SUBTERRANEAS Composición del Aire
¿Composición por Masa o Volumen?
Límites Permisibles (TLV)
Estándares de MSHA
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40
COMPOSICION DEL AIRE El aire químicamente está compuesto de: • Nitrógeno: 78 % del volumen. • Oxígeno: 21 % del volumen. • Otros gases: 1 % del volumen. Sin embargo, esta composición varía a medida que el aire avance hacia los frentes de trabajo. Factores: Migración de gases de la roca y muchas reacciones químicas.
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21 41
LIMITES PERMISIBLES (TWA- TLV) (Para ser usados como referencias solamente) Sustancia
Unidad
MSHA
ppm
50
%
0.5
Gases Nitrosos
ppm
5
Dióxido de Sulfuro
ppm
5
Sulfuro de Hidrógeno
ppm
10
%
1
µg/m3
400 → 160
Monóxido de carbono Dióxido de carbono
Metano Partículas de Diesel
Oxígeno, mayor a 19.5 % TWA-TLV: Límite permisible para un turno normal de 8 horas Dr. Felipe Calizaya -
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42
CONTAMINANTES DEL AIRE Fuentes de Contaminación: Fuentes Naturales: • Metano en mantos de Carbón y dolomitas. • Sulfuro de hidrógeno, en minerales piritosos.
Fuentes Artificiales • Productos de Explosiones, CO, humo y polvo. • Productos de Diesel (CO, NOx, DPM).
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22 43
CONTAMINANTES DEL AIRE Gases en Estratos Mineralizados •
CH4 y CO2 en mantos de carbón, dolomitas, etc.
•
Radón en yacimientos de uranio.
Productos de Diesel (Gases y DPM) Gases y Partículas Sólidas •
Productos de voladura: incluyendo CO y Nox.
•
Polvo grueso y respirable.
Calor y Temperaturas Extremas Dr. Felipe Calizaya -
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44
GASES DE LA MINA Los gases son generados durante voladura. Son también producidos por equipos a Diesel. Gases comunes: CH4, CO2, CO, NOx, SO2 …
Gas Natural, CH4 Es producido por descomposición de material orgánico. Es explosivo entre 5 – 15 %. Es mas liviano que el aire (ρ = 0.55 kg/m3).
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23 45
GASES EN ESTRATOS MINERALIZADOS Los estratos contienen poros y fracturas llenos de gases (CH4 y CO2 ) a alta presión. Durante el laboreo, estos gases son liberados y migran a los frentes de trabajo. El caudal puede ser determinado en base a mediciones. En muchos casos, este es proporcional a la producción. Ejemplo 2: un manto contiene 8 m 3 de gas/ton de mineral y la mina produce 7000 tpd. ¿Cuál es la emisión del gas? Solución: q = 0.65 m3 /s de gas. Dr. Felipe Calizaya -
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46
Gaseoducto
Manto de Carbón
Frente
Mina Esmeralda, México
DRENAJE DE METANO DESDE SUPERFICIE Dr. Felipe Calizaya -
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24 47
GASES DE LA MINA Dióxido de Carbono, CO2 Producido por oxidación de materiales orgánicos y por máquinas de combustión interna. Es más pesado que el aire (ρ = 1.8 kg/m3).
Monóxido de Carbono, CO Producto de combustión incompleta de material orgánico (Diesel). Es producido también en incendios y explosiones. Es el gas más peligroso.
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48
GASES DE LA MINA Dióxido de Sulfuro, SO2 Producido por oxidación de azufre, piritas y por máquinas de combustión interna. Es muy irritante en concentraciones bajas.
Acido Sulfhídrico, H2S Producido por acción de calor en sulfuros. Ocurre disuelto en agua (ρ = 1.4 kg/m 3).
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25 49
MAQUINAS A DIESEL Una máquina a Diesel es preferida por su mejor seguridad, flexibilidad y alta productividad. Pala de 13 ton: productividad ≥ 3600 tpd. En estas máquinas, el Diesel es quemado para producir energía. En el proceso, el oxígeno es consumido y muchos gases tóxicos generados. Gases peligrosos: CO, y NOX La combustión es incompleta. Parte del carbón es descargado en forma de humo negro (hollín).
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50
Máquinas a Diesel
Límites Aceptables en el Escape:
CO: ≤ 1000 ppm
NOX:
≤
500 ppm
Las partículas de Diesel contienen sustancias que causan cáncer Dr. Felipe Calizaya -
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26 51
Pala a Diesel Toro 1250 Capacidad: 9.5 yd3 Precio: $506,000 Qo: 17.7 m3/s
Pala a Diesel en una Galería de Producción
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52
MAQUINAS A DIESEL Evaluaciones de Gases de Escape Productos de Diesel
Máquina 1
Máquina 2
CO
2435 ppm
190 ppm
CO2
2%
0%
NO + NO2
746 ppm
354 ppm
Formaloides
1 ppm
0 ppm
Humo
Con mucho humo a altas revoluciones
Sin humo
Comentarios
Al taller de reparación
De vuelta al paraje
ppm: partes por millón de volumen
El mantenimiento es la clave en la utilización de estas máquinas Dr. Felipe Calizaya -
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27 53
POLVO EN LAS MINAS El polvo es producido durante perforación y voladura, transporte, trituración, etc. Es definido como una colección de partículas que están suspendidas en el aire. El polvo, una vez aspirado, es retenido en los pulmones, resultando en neumoconiosis.
Neumoconiosis incluye silicosis, asbestosis y otras enfermedades pulmonares.
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54
NEUMOCONIOSIS Factores Críticos: •
Tipo de polvo (orgánico o inorgánico).
•
Tiempo de exposición (variable).
•
Tamaño de partículas (grueso o respirable). Polvo respirable: menores a 5 micrones.
•
Concentración del polvo (el más crítico).
Límites permisibles (TLV): 2 mg/m 3 con < 5 % SiO 2
Para otros, este límite es calculado de: TLV =
10 %SiO2 + 2
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28 55
CONTROL DEL POLVO Métodos: • Prevención Camión pesado
• Supresión • Uso de Filtros • Dilución
Chisguetes de agua
Chancadora
(ventilación)
Es mejor controlar el polvo antes que este llegue a formar parte del aire. Dr. Felipe Calizaya -
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56
Ducto de aislamiento
¡CAPTURE EL POLVO EN SU FUENTE DE ORIGEN!
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29 57
REQUERIMIENTOS DE AIRE – EJEMPLO Método de Explotación: Hundimiento por bloques utilizando máquinas a Diesel (Producción: 25,000 tpd) pc/m *103
m3/s
Nivel de Hundimiento
178
84
Nivel de Producción
685
324
Nivel de Reducción
550
260
Talleres y otros
237
112
Caudal Total
1650
780
Nivel de Trabajo
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58
MONITOREO DE CONTAMINANTES Muestreo del Polvo Instrumentos:
- Bombillas de aire y filtros - Micro-balanza
Concentración del Polvo, C:
C =
∆W
V
mg/m3
Donde ∆W = diferencia de pesos del filtro V = volumen del aire muestreado Dr. Felipe Calizaya -
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