APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROL EN MINAS SUBTERRÁNEAS
BEIMAR RODRÍGUEZ GUERRERO COD: 1091664219 FRANCISCO GARCÌA GIL COD: 1091533778
DOCENTE: TANIA LISETH ACEVEDO GAUTA
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA TEORÍA DE CONTROL FACULTAD DE INGENIERIAS Y AQUITECTURA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELETRÓNICA PAMPLONA 31/01/2012
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Indagar sobre el funcionamiento de minas subterráneas y plantear diferentes soluciones a problemas que se presentan normalmente por falta de una adecuada ingeniería.
OBJETIVOS ESPECÌFICOS
Diseñar lazos de control para el sistema de ventilación en minas subterráneas.
Automatizar la extracción de los minerales en una mina subterránea.
Aplicar conocimientos de automatización para disminuir los riegos en las minas subterráneas de la región.
INRODUCCIÒN La minería subterránea o de socavón desarrolla su actividad por debajo de la superficie a través de labores subterráneas. En términos comparativos, la maquinaria que se usa en la minería subterránea es mucho más pequeña que la que se utiliza a cielo abierto, debido a las limitaciones que impone el tamaño de las galerías y demás labores. Las labores características de este sistema de explotación son los: túneles, cavernas, bocamina o emboquille, cuartel, galería, pozo, chimenea, etc. Existen distintos métodos de explotación que se dividen en soportados por pilares, soportado por relleno y de hundimiento. La mina subterránea más grande del mundo es El Teniente (mina) (Chile) (130 ktpd).
FUNCIONAMIENTO DE LAS MINAS SUBTERRANÈAS La minería subterránea abarca todas las labores destinadas a explotar materias primas por medios técnicos. Además de la extracción y el transporte, comprende las actividades de prospección y exploración, la dotación de infraestructura (conexión a la red vial, construcción de depósitos e instalaciones exteriores tales como oficinas administrativas, talleres, etc.), así como las medidas destinadas a garantizar la seguridad de los mineros. Las actividades mineras incluyen:
Arranque Carga Extracción Ventilación Desagüe Entibación
Las excavaciones de cateo de escasa profundidad son comunes en muchos países y constituyen una técnica intermedia entre la minería subterránea y la minería a cielo abierto. En casos especiales, la materia prima puede ser extraída y preparada para el transporte en su entorno natural, sin necesidad de realizar trabajos preliminares (por ejemplo, explotación de salinas, lixiviación in situ y gasificación de carbón in situ). La minería subterránea crea espacios bajo tierra en los cuales trabajan seres humanos. Las condiciones de trabajo -incluidas la humedad ambiental, la temperatura del aire, la presencia de radiaciones nocivas o de gases explosivos, la presencia de agua, la formación de polvo y la emisión de ruido- dependen tanto del mineral como de la roca encajante, de la profundidad de la mina y del uso de maquinaria. La ubicación de las explotaciones subterráneas depende siempre de la presencia de yacimientos de materias primas. La explotación subterránea se realiza en todas las zonas climáticas, tanto en lugares remotos como bajo grandes ciudades, en el fondo oceánico y en regiones montañosas. El volumen de extracción diario puede ser inferior a 1 tonelada o superar las 15.000 toneladas. La profundidad de extracción va desde unos cuantos metros hasta más de 4 kilómetros.
Arranque (Tumbe)
FIGURA 1. El pico y la maza, símbolo de la minería.
Por arranque se entiende el conjunto de operaciones necesarias para separar la roca del macizo rocoso donde se encuentra. En la mayoría de las ocasiones es necesario, además, romper la roca en trozos suficientemente pequeños para facilitar los procesos posteriores (carga y transporte). El arranque se realiza de tres maneras: con herramientas, con máquinas y con explosivos. Los dos primeros métodos sólo son rentables cuando las rocas a explotar son relativamente blandas, tales como el carbón o los fostatos. Cuando las rocas son duras es necesario acudir al arranque mediante explosivos. En el caso de las rocas ornamentales (mármol, granitos, pizarras...) empleadas en arquitectura y construcción se utilizan herramientas de corte de diamante y voladuras muy cuidadosas con muy poca cantidad de explosivo. Antes de la mecanización de las minas, el arranque se efectuaba con picos, mazas, barrenas, punterolas, cuñas y con martillos picadores. Las máquinas que se utilizan para el arranque son:
Minador Rozadora Cepillo Scrapper
FIGURA 2. Minador HMC-33
FIGURA 3. Rotopala Bagger 288. En general, estás máquinas arrancan la roca utilizando elementos móviles cortantes: picas, rodetes, cuchillas o discos. El arranque mediante explosivos es el más utilizado. Para poder cargar el explosivo, se requiere hacer barrenos o agujeros en la roca y distribuirlos de tal manera que a cada barreno se le de una secuencia de detonación y vaya dando salida uno en secuencia de otro. Generalmente para hacer dichos barrenos se utilizan máquinas neumáticas conocidas como Stoppers, Máquinas de pierna, Jumbos Neumáticos, y va en aumento el uso de equipos electrohidráulicos tales como Jumbos, Simbas, Equipos de barrenación Larga, etc. Para realizar el arranque o tumbe de la roca se utilizan las voladuras.
Carga (Rezagado)
Por carga se entiende la recogida de la roca arrancada del suelo, y su traslado hasta un medio de transporte. En el arranque mediante maquinaria esta operación se realiza a la vez que el arranque. Así, por ejemplo, una pala excavadora utiliza su caso para arrancar y cargar.
FIGURA 4. Pala cargadora de tipo frontal, sobre neumáticos.
Transporte (Acarreo)
El transporte es la operación por la que se traslada el mineral arrancado hasta el exterior de la mina. El transporte dentro de una mina puede ser continuo, discontinuo o una mezcla de ambos. El transporte continuo utiliza medios de transporte que están continuamente en funcionamiento. Dentro de este tipo de transporte se utilizan cintas transportadoras, transportadores blindados y el transporte por gravedad, en pozos y chimeneas. En el transporte discontinuo los medios de transporte realizan un movimiento alternativo entre el punto de carga y el de descarga. En este grupo se utiliza el ferrocarril y los camiones. Dentro de las minas subterráneas se distingue, además, entre el arrastre y la extracción. Por arrastre se entiende el transporte por las labores situadas, aproximadamente, a la misma cota. Y por extracción el transporte vertical que tiene por objeto situar el mineral en la superficie.
FIGURA 5. Camión de mina a cielo abierto.
DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DEL ARTE El arranque con herramientas es el más antiguo y el menos rentable, económicamente hablando. En las minas de cobre de Texeo (en Riosa, Asturias, España), de hace aproximadamente 4.500 años, los 'mineros' utilizaban como herramienta cuernos de cabra para arrancar el mineral. Actualmente se emplea el martillo (hidráulico o neumático) y el zapapico como herramientas manuales. En las primeras minas la carga se realizaba a mano, con la ayuda de palas. Las maquinas más usadas para realizar la carga son las palas cargadoras, para el exterior y Scoop Tram o palas de bajo perfil para las subterráneas.Un caso especial de carga es cuando se dispone físicamente el medio de transporte debajo del mineral a arrancar. En este caso la carga se realiza con ayuda de la gravedad. Un método como este se aplica en minería subterránea cuando el nivel de explotación (de donde se extrae el mineral) está sobre el nivel de transporte. En el pasado, la minería se daba cerca de la superficie donde estaban disponibles la luz y la ventilación naturales. Las fogatas eran utilizadas para introducir el aire fresco dentro de la mina y había la necesidad de ventilar el humo caliente fuera de la mina. Mucho antes de que el carbón fuera minado en Norteamérica, las minas de carbón en Europa fueron diseñadas con entradas duales; una mediante la cual el aire limpio del exterior fluyera hacia el interior de la mina y otra mediante la cual se expulsara este mismo aire viciado o contaminado con los gases naturales de la extracción. Inicialmente, la ventilación de las minas fue asistida por hornos subterráneos, que utilizaron el principio práctico de la corriente aérea ascendente derivada de un fuego causa una succión del aire de la mina y este aire era substituido por el aire exterior que era inyectado dentro al terraplén o la boca mina, este método era especialmente peligroso debido a los gases explosivos que se acumulaban dentro de la mina. La presencia del gas es siempre apuro en una mina. El gas de metano ó el gas del pantano (conocido también por los mineros como el bao del diablo), en concentraciones de 1.25 % ó más, puede causar una explosión subterránea de gran alcance; especialmente si es acompañado por una alta concentración del polvo de carbón. Otros gases a menudo presentes en una mina de carbón son el monóxido de carbono y sulfuro del hidrógeno. La presencia de estos gases hizo necesario que la ventilación apropiada esté asegurada en instalaciones subterráneas. Cabe hacer notar que las concentraciones de gas metano cerradas son altamente explosivas al contacto del oxigeno por lo que la ventilación se debe dar de forma precisa y controlada. En otro tiempo los canarios solían haber sido utilizados para detectar el gas en minas de carbón en los primeros tiempos de las minas. Este pájaro que es extremadamente sensible al medio ambiente era colocado en los túneles y si esté fallecía, los mineros saldrían inmediatamente de la mina. Sin embargo antes de 1870, los encargados y las personas calificadas utilizaban rusticas lámparas de seguridad para detectar el gas, este método pronto fue remplazado por las lámparas de petróleo lo que les permitía a los trabajadores iluminar el área de extracción,
así mismo comenzaron a rociar las paredes con caliza para evitar la ignición del carbón en los túneles. Pronto, los ventiladores fueron utilizados para extraer fuera de la mina el gas contenido en los lugares de trabajo y transportado en corrientes de aire principales al exterior. Las puertas de las trampas de succión fueron colocadas estratégicamente como parte del sistema de ventilación para dirigir el flujo del aire a o desde áreas seleccionadas, sin embargo al fijar las trampas de succión situadas en las puertas más ocupadas que se abrían para permitir el paso del carbón, de los materiales y de los hombres, las “corrientes del aire” fueron cortadas con frecuencia a través del carbón y de la roca, provocando accidentes. En los años 20 los ventiladores antiguos fueron substituidos por los ventiladores pequeños eléctricos de turbina. Los ventiladores grandes del tipo de la succión fueron colocados en la superficie y aumentados gradualmente de tamaño con el paso del tiempo. El aire de los compresores superficiales fue transportado mediante tubos en la mina a la maquinaria que provee de energía y ayuda en el proceso de ventilación. Dentro de las minas carboníferas se pueden encontrar diversos gases (Tabla 1) producidos por la extracción del mineral y entre los más importantes encontramos: -
Oxígeno:
No tiene color, sabor u olor, sus efectos al 21% cualquier fuente de ignición puede encenderlo, al 15% la respiración comienza a ser difícil, al 10% se considera muy perjudicial para la salud. -
Dióxido de Carbono:
Es incoloro e inodoro, es producto de la combustión, puede causar sofocación y la muerte, sus efectos al 3% son dificultad para respirar y al 10% puede causar la muerte. -
Monóxido de Carbono:
Muy poco color y olor, es producto de una combustión incompleta, su efecto al 0.05% es riesgoso para quien lo respira. -
Metano:
Muy poco color y olor y altamente inflamable, se vuelve explosivo al contacto con el aire. -
Sulfato de Hidrogeno:
Tiene un olor desagradable y sus efectos al 15% son fatales para la vida. -
Hidrogeno:
Es explosivo al mezclarlo con el aire.
-
Dióxido de Nitrógeno:
Tiene la característica de poseer un color rojizo.
TABLA 1. Tabla de gases.
Actualmente, cuando el mineral se encuentra a grandes profundidades se cavan pozos hasta llegar a la veta y después se forma una galería para extraerlo. Para ventilar este tipo de explotación se utiliza un método que consiste en comunicar entre sí estos pozos para que los gases que emana el carbón salgan al exterior y no se produzcan explosiones. Para evitar que la mina se hunda se le pone pilares en cada capa y cuando ya se ha terminado la extracción completa de la veta se provoca el derrumbe de la mina. Necesidad de la ventilación Es necesario establecer una circulación de aire dentro de una mina subterránea por las siguientes razones:
Es necesario asegurar un contenido mínimo de oxígeno en la atmósfera de la mina para permitir la respiración de las personas que trabajan en su interior.
En el interior se desprenden diferentes tipos de gases, según el mineral a explotar y la maquinaria utilizada. Estos gases pueden ser tóxicos, asfixiantes y/o explosivos, por lo que es necesario diluirlos por debajo de los límites legales establecidos en cada país.
A medida que aumenta la profundidad de la mina la temperatura aumenta. El gradiente geotérmico medio es de 1º cada 33 m. Adicionalmente, los equipos y
máquinas presentes en el interior contribuyen a elevar la temperatura del aire. En este caso la ventilación es necesaria para la climatización de la mina El sistema escogido será probablemente una combinación de los métodos que presentamos a continuación:
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.
FIGURA 6. Ventilacion de la mina
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. 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 7). ♦ 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 7). ♦ 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).
FIGURA 7. Esquema de tipos bàsicos de ventilaciòn auxiliar de desarrollo
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. 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. En las galerías en desarrollo donde se usa ventilación auxiliar, el extremo de la tubería no deberá estar a más de 30 metros de la frente (ver figura 8).
FIGURA 8. Tuberìa. Una de las tecnologías más robustas para la ventilación y extracción del gas metano de las minas carboníferas, son las turbinas de flujo reversible (Figura 9) que pueden capturar hasta 100 por ciento del metano extraído y el calor producido de la extracción puede ser utilizado localmente para procesos de calefacción en regiones de temperaturas muy bajas, tal es el caso de las minas situadas en regiones extremadamente frías. Estas tecnologías de ventilación y de extracción emplean el principio del intercambio de calor regenerativo entre un gas y una pared sólida del medio de intercambio de calor.
FIGURA 9. Intercambio de calor regenerativo El gas metano extraído por el sistema de ventilación de las minas carboníferas puede también ser utilizado como aire de combustión para la energía de proyectos dentro de las instalaciones. Este uso está técnica y comercialmente probado en algunas modernas instalaciones mineras, por desgracia la mayor parte del gas extraído de las minas de carbón es expulsado al medio ambiente. Los principales tipos de ventiladores usados en las minas de carbón son los de tipo axial, deben ser ajustables, controlables y su diseño debe ajustarse completamente al volumen de aire que requiera controlarse.
EXTRACCIÒN DEL MINERAL DE UNA FORMA AUTOMATIZADA
LAZO DE CONTROL DE LA AIREACIÒN Y CONTROL DE GASES
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO AUTOMATIZADO
VENTAJAS DESVENTAJAS Contribución a la práctica de la minería en Contaminación atmosférica en el tambor de condiciones seguras. ventilación que se diluye automáticamente en la atmósfera. Mejorar las condiciones del trabajador en la No es conveniente implementar sistemas mina y su calidad de vida, ya que gracias al altamente automatizados para el monitoreo monitoreo de las diversas informaciones, y control de la ventilación, debido a que tomada por medio de los sensores en la regularmente en terreno puede resultar mina, durante la operación del sistema es dificultosa tanto su operación como su más seguro el trabajo. mantención ; además, es altamente probable que, los COSTOS de inversión, operación y mantención de éstos puedan resultar significativamente mayores a los BENEFICIOS que se desea obtener con su implementación. Mejora de las condiciones económicas y de El efecto ambiental más importante de la competitividad de proyectos mineros. minería subterránea es la extracción de recursos naturales no renovables. Durante la extracción de materias primas se pierden recursos y se deterioran otras secciones del yacimiento. La mejor forma de contrarrestar estas consecuencias consiste en planificar cuidadosamente las operaciones de extracción, relleno con estéril, etc. Eliminación del riesgo personal por En la mina generalmente los problemas accionamiento de ventiladores -ubicados son respiratorios, debido sobre todo a la en áreas siniestradas- u otros dispositivos inhalación de polvo y humo, pero también de control de flujo, tales como puertas de hay por contacto. Común a todas las ventilación y reguladores. enfermedades de la minería es su evolución que es larga y prolongada siendo considerada como enfermedad crónica. Ej.: neumoconiosis, fibrosis pulmonar, cáncer de pulmón
CONCLUSIÓN El Sistema de Monitoreo y Control de Ventilación, propuesto acá, sólo constituye una primera etapa dentro de un gran Sistema de Monitoreo y Control -con un mayor grado de Automatización- al que debería tenderse definitivamente en toda faena subterránea de cierta envergadura.
Los mineros tienen que trabajar en un entorno laboral en constante transformación. Algunos trabajan sin luz natural o ventilación, excavando la tierra, extrayendo material y, al mismo tiempo, tomando medidas para evitar que se produzca una reacción inmediata de los gases. A pesar de los importantes esfuerzos realizados en muchos países, la tasa mundial de víctimas mortales, lesiones y enfermedades entre los mineros demuestra que, en la mayoría de ellos, la minería sigue siendo el trabajo más peligroso en relación con el número total de trabajadores dedicados a esta actividad.
El monitoreo de diferentes variables al interior del Sistema de Ventilación en plena operación, deberá lograrse por medio de la instalación de diversos sensores, más tendido de cables telefónicos u otros, que permitan transmitir las señales de los diferentes estados monitoreados hasta una sala de recepción y control centralizada
BIBLIOGRAFÍA o
Liedo, Carmen (2007). «Los orígenes de la minería asturiana... son de cobre». Montepío: Revista del Montepío y Mutualidad de la Minería Asturiana (47).
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http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080920160857AAOLl5q
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De la Cuadra Irizar, Luis (1974). Curso de Laboreo de Minas. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid.
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Fernández Felgueroso, José Manuel; Luque Cabal, Vicente (1975). Lecciones de ventilación de minas. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo.
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Luque Cabal, Vicente (1988). Manual de ventilación de minas. Asociación de Investigación Tecnológica de Equipos Mineros (AITEMIN).
