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1

VENTILACION DE MINAS NIVEL INTERMEDIO - AVANZADO

DR. Felipe Calizaya Consultor Intercade

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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 operación de una 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 contaminado, el aire viciado debe ser expulsado inmediatamente.


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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3 5

CONTAMINANTES 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 Y EVALUACION Hoy, detectores electrónicos son utilizados.

Detectores de Gases: • Detectores Múltiples (ITX Multi-gas). • Detectores Individuales (MSA Mini- Responder). • Otros (Detectores Drager, etc.)

Detectores de Polvo: • Detectores ESCORT (Incluye: Una bombilla de aire, filtro y ciclón, una microbalanza). Todos estos instrumentos deben ser calibrados. Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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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.


8

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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¿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 - [email protected] - Consultor Intercade

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ECUACION BASICA DE ENERGIA P1 A1 V

1

P2 A2 V

1

2

2

W

h1

V

h2

LT

Referencia

2 1

2g

+ P1 + h1 =

γ

V

2 2

2g

+

P γ

2

+ h2 + hL

Equation de Bernoulli: HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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ECUACION MODIFICADA DE ENERGIA Ecuación de Bernoulli (en presión absoluta): HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL Donde: HV1= Energía dinámica, HS1 = Energía estática, HZ1= 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


12

ECUACIONES UTILES DEL AIRE Peso Específico

w=

Pb R *T

w 2 = w 1 exp (− Z / RT

Pb = Presión Barométrica, lb/p2

NR =

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:

)

= 6250*V * D

υ

= 1.6 E-4 p2/s

 V  Hv = w*   1098 

2

Hv = Presión de Velocidad, pulgadas de H2O; V = Velocidad, p/min Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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7 13

CAIDA DE PRESION POR FRICCION 1

2

D

V L

Hl =

Ecuación de Darcy:

λ * w * L *V 2

(1)

2* D

λ = 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 - [email protected] - Consultor Intercade

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ECUACION DE ATKINSON hL = R * Q 2 =

k * Per * L 2 Q 5 .2 A 3

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-min2/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 - [email protected] - Consultor Intercade


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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, 8th US Mine Ventilation Symposium)


16

Cuadro 2. Valores del Coeficiente - k para Minas de Carbón (Estandarizados para el Nivel del Mar) Descripción del Ducto Galería de Entrada

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

(Fuente: Prosser & Wallace, 1999, 8th US Mine Ventilation Symposium)



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9 17

UNA GALERIA ES UN DUCTO DE VENTILACION Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

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Ventilador

Profundización de un Pozo

(125 HP)

Ducto Rígido

Sistema Compuesto

Caudal Requerido

Ventilador (60 HP)

A = 211 p2 V = 150 p/min Qo = 32,000 p3/min



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DESARROLLO DE GALERIAS MULTIPLES L2 = 150 m

Entrada

Fuga

Recorte

Frente 1

Muro de Ventilación

Salida 20 m

Frente 2

Ventilador Secundario

Qo = 40,000 p3/min

Caudal: 100,000p3/min

Sistema de ventilación usado para ventilar desarrollos largos (de varios km) Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

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CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Ejemplo 1. Dado el siguiente sistema: d 30 kcfm

D3= 36 in L = 500 ft

a

D1 = 24 in, L = 800 ft c b D2 = 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 - [email protected] - Consultor Intercade


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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

7

0.3

6

0.1

8

0.1 10

0.1 R = 0.1

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 - [email protected] - Consultor Intercade

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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 - [email protected] - Consultor Intercade


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12 23

VENTILADORES PRIMARIOS


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VENTILADOR PRIMARIO (TIPO CENTRIFUGO) Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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13 25

ORCOPAMPA


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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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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 - [email protected] - Consultor Intercade

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EQUIPOS DE TRABAJO

Pala de 14 yd3 de capacidad (475 HP de Potencia)

Martillo Picador



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16 31

LW 2A

Hundimiento

0.3 M

R

LEGENDA Entrada Salida

1.0M

Caudal de gas Mp3/d

0.3M R LW

Regulador Frente Largo

R

1.0 M Muro R

R

Frente C

q = 0.3M

Entrada R

Salida Salida Auxiliar

Banda

Ventilador

Red de Ventilación de una Mina de Carbón Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

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Excavador Mecánico

Soporte Hidráulico

Banda móvil Banda de Transporte Sala de Control

Excavador Continuo de Frente Largo Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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17 33

EXCAVADOR CONTINUO PARA FRENTES LARGOS Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

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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)



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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 - [email protected] - Consultor Intercade

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. Qo = Caudal de aire

q (100%)

B = Concentración inicial

Qo B

Qo + 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 - [email protected] - Consultor Intercade


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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

q = 7 x10-5 m3/s B=0

o

=

q C − B

(1)

C = 5ppm (= 5 x10-6); Qo = 14 m3/s

Este es el caudal mínimo de aire limpio que debe ser circulado por el tajo. Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

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Q

o

q = C − B



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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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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 - [email protected] - Consultor Intercade

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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 - [email protected] - Consultor Intercade

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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 m3 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 - [email protected] - Consultor Intercade

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Gaseoducto

Manto de Carbón

Frente

Mina Esmeralda, México

DRENAJE DE METANO DESDE SUPERFICIE Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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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.


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/m3).



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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).


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 - [email protected] - Consultor Intercade


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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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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 - [email protected] - Consultor Intercade


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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.


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/m3 con < 5 % SiO2 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

Chisguetes de agua Chancadora

• Dilución

(ventilación)

Es mejor controlar el polvo antes que este llegue a formar parte del aire. Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade

56

Ducto de aislamiento

¡CAPTURE EL POLVO EN SU FUENTE DE ORIGEN! Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor Intercade


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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


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 - [email protected] - Consultor Intercade


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Instrumentos para Medir Polvo Respirable Bomba de Aire

Caset y Filtro

Ciclón para polvo grueso


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MONITOREO DE CONTAMINANTES Muestreo de Gases Instrumentos:

- Detectores de gas - Detectores Múltiple (4 Gases) - Detector Drager (primario)

Precauciones: Es necesario calibrar los instrumentos. Concentración del Gas: Leer varias veces y mostrar el promedio. Ejemplo: Monóxido de Carbón, C = 65 ppm



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