Informe Atacama Kozan

MODELO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ATACAMA KOZÁN “Caudales, energía y costos” Ventilación MIN440-1 Autores: Alex Aguilera Peñaloza Juan Bolbarán Salas Francisco Jofré Escudero Gonzalo Salazar Castro Diego Soto Lagos Docente: Esteban Marinkovic Núñez

3 de Julio 2017, Valparaíso

MODELO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ATACAMA KOZÁN

Resumen Ejecutivo La ventilación en métodos de explotación subterráneos tiene la principal misión de suministro de aire fresco con el objetivo de lograr condiciones ambientales (Temperatura, presión y calidad de aire) adecuadas para todo el personal que realice tareas al interior de la faena, como también atender las demandas de caudal que requieren los equipos e instalaciones subterráneas. El presente informe tiene por objetivo diseñar el circuito de ventilación para la mina propuesta utilizando el programa VentSIM para 10 años de funcionamiento. En primera instancia se realiza el cálculo de caudales requeridos para las distintas zonas de la mina. Este cálculo se realizó en función de tres variables; el caudal demandado por los trabajadores, el caudal requerido para equipos diesel y el caudal necesario luego de la tronadura según la cantidad de explosivos. En base a esto se determina la ventilación según las labores realizadas dentro de la faena más una holgura de 15% de acuerdo a las pérdidas que ocurren al interior mina:

Caudal (m3/s) Tronadura 1.8 Marina 39.9 Servicios 19.2

Total Caudal Total + Pérdidas (15%) 2.1 39.9 22.1

Siguiente a esto y conforme a un Plan Minero con un régimen de 4000 Tpd se dimensionó el caudal requerido total por parte de las labores al interior mina. Los cálculos se realizan de acuerdo al quinto año del plan minero, esto debido a que en tal año se logra el régimen de producción. Luego se determinan los kilowatts consumidos por labor al interior mina a través de VentSIM. El Software calcula la potencia de acuerdo a la ecuación:

 () ×     = 1000 1000 × ɳ     

Q = Caudal de Aire H = Depresión de Circuito DE = Eficiencia de la transmisión ME =Eficiencia del motor ɳ = = Eficiencia del ventilador

El cálculo de costos se hace teniendo en cuenta un consumo e 0.2 US$/Kw-Hra, sumado a un 10% de acuerdo al mantenimiento de los ventiladores ocupados. Al quinto año de vida de la mina los valores de consumo y costos son:

TOTAL

Energía Consumida (KW)

Costo Operacional (US$)

Costo (US$)

Mantención

937.8

$1,643,026

$84,464

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MODELO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ATACAMA KOZÁN Los valores registrados a lo largo de 10 años de vida útil de Atacama Kozan son:

TOTAL



Costo (US$)

Mantención

8418.6

$14,749,338

$844,639

Teniendo en cuenta un costo de ventiladores de 1500 US$/kW la inversión en el primer año es de US$ 1,406,700 y a lo largo de los 10 años de vida de Atacama Kozan el gasto en ventilación asciende a US$ 17,000,677.

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Índice Resumen Ejecutivo .............................................................................................................................. 1 1.

Introducción ................................................................................................................................ 4

2.

Objetivos ..................................................................................................................................... 5

3.

Criterios de diseño ...................................................................................................................... 6

4.

Desarrollo del modelo ................................................................................................................. 6

5.

Curvas Características ............................................................................................................... 13

6.

Consumo de Energía, Inversión y Costos .................................................................................. 17

7.

Comentarios y Conclusiones ..................................................................................................... 19

8.

Bibliografía ................................................................................................................................ 20

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1. Introducción La Minería Subterránea obedece a una extracción sistemática de menas con el fin de proporcionar utilidad dentro del área. Para ello se deben emplear labores y operaciones consistentes accesos y desarrollos de apertura en minas, preparación e infraestructura de esta misma. En el desarrollo de un proyecto minero se debe realizar un estudio consistente en ingeniería de detalles, esto corresponde a establecer la forma en que se realizaran las operaciones durante la vida de la mina, así como también toda maquinaria necesaria para ello. Además, se deberá plantear un escenario económico capaz de garantizar un ambiente con condiciones óptimas para los trabajadores. Para lo anterior, el área de Ventilación de Minas está establecida para cumplir con la misión de suministrar aire fresco con capacidades de lograr un ambiente adecuado para personal que laboree en faenas minero-subterráneas y además atender operación de equipos e instalaciones subterráneas. El enfoque del Proyecto es implementar el diseño de un circuito de ventilación para la mina Atacama Kozán durante toda su vida útil, esto quiere decir que los requerimientos para suministrar un caudal de aire fresco irán variando con el transcurso de los años ya que se presencia un escenario de constante cambio a medida que se van realizando labores de expansión y profundización para llegar al mineral de interés, como lo son: cambios en la infraestructura (expansión de caserones y nuevas galerías de avance), maquinaria utilizada y cantidad de personal.

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2. Objetivo 2.1. Objetivo General La importancia de este proyecto radica en la necesidad del Ingeniero Civil de Minas en manejar conceptos básicos sobre la instauración de un modelo de ventilación para faenas subterráneas relacionadas directamente con el diseño del circuito, tales como la geometría; secciones; requerimientos de acuerdo a diferentes zonas; ubicación; etc. El objetivo de este documento es diseñar un circuito de ventilación, correspondiente a la faena “Atacama Kozán”, que ofrezca resultados concretos a

partir de un análisis en función de los requerimientos establecidos de producción.

2.2. Objetivos específicos Se toma el modelo, calibrado y validado por el Docente del curso con fines de aplicación educativa en base a número de personas y equipos presentes por cada frente de trabajo, los cuales se mencionan en este documento. Con lo anterior, se establece analizar los resultados correspondientes al desarrollo de: 

 

 

Diseño de circuito equivalente, usando el programa Ventsim, consistente en Ventilación principal caracterizada y dimensionamiento de Ventilación Auxiliar. Inversiones requeridas de Ventilación principal. Costos de operación asociados al consumo de E. eléctrica del sistema de ventilación. Estimación inversión y costos de operación de cada sistema de ventilación. Estimación de inversión y costos de operación durante la vida útil la mina en cuestión.

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3. Criterios de Diseño 3.1. Criterios Generales El diseño del circuito equivalente de la faena “Atacama Kozán” se desarrollará a

través un modelo de ventilación, calibrado y validado por el Docente del curso, correspondiente a etapas de ingeniería básica. Se continuará, por tanto, a modificar el sistema en función de implementación directa en faena maquinaria consistente en equipos de producción; desarrollo, preparación; perforación y servicios (ver tabla 1). Tabla 1. Equipos

utilizados en faena Atacama Kozán.

Equipo Cantidad HP por Eq. Factor Camión Mt 3020 3.0 400.0 1.0 Scoop LHD 7 yd3 3.0 250.0 1.0 Camionetas 2.0 80.0 0.5 Jumbo desarrollo 1.0 75.0 1.0 Mixer 1.0 125.0 1.0 Camión Petróleo 1.0 140.0 0.5 Grúa Servicios 1.0 94.0 0.5 Estos equipos trabajarán a través de una infraestructura cambiante a lo largo de la vida útil de la faena.

3.2. Ventilación e Infraestructura Principal Atacama Kozán cuenta con una explotación de mineral mediante el modelo de Sub Level Stoping, por lo tanto, el sistema de ventilación obedecerá a una red adecuada a este tipo que deberá ser diseñado bajo la premisa de contar con una operación de ventiladores eficiente durante la vida útil del proyecto, minimice pérdidas de presión por choque y evitar variación excesiva en control de regulación de caudales.

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MODELO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ATACAMA KOZÁN El sistema de ventilación principal tendrá un funcionamiento de 24 horas diarias, 7 días por semana durante los 365 días del año. Además, se considerará una cantidad variable de personas en cada frente (ver tabla 2).

Frente Producción Desarrollo Preparación Otros Tabla 2. Número

N° de personas 10 10 10 40

de personas requeridas por frente de trabajo .

La sección “otros” corresponderá al número de personas por concepto de

desarrollo de labores en otros niveles dentro de la faena.

3.3. Requerimientos de Caudal de Aire Para llevar a cabo la simulación del diseño se utilizaron caudales de aire requeridos para las distintas fases de la faena en función del dimensionamiento y cantidad de explosivo a utilizar (ver ecuación 1).

Qtron= ∗ ∗ E cuación 1.

[m3/min]

Caudal de aire requerido por gases de tronadura.

Donde: -

Qtron:Caudal de aire requerido G:Formación de Gases por kg de explosivo [m3] E:Cantidad de Exlosivo[Kg] T:Tiempo de ventilación [min].En un tiempo de ventilación de 30 min. f:Porcentaje dilución de gases en la atmósfera [%].Por defecto 0.008%

Se tomará en cuenta para cada frente de trabajo la cantidad de explosivos en función de variables expresadas en tabla 3 y 4.

Frente Desarrollo Preparación

Factor de Carga (kg/m3) 2 2 Tabla 3. Parametros

Avance (m) 4.2 3.8

Avance % 90 90

de frentes de desarrollo y preparación.

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Frente Producción

Factor de carga 0.3 Tabla 4. Parámetros

Densidad (ton/m3) 0.7

Producción (ton) 2000

utilizados en frente de producción.

Se adoptaron, dentro del diseño, criterios relacionados con velocidades máximas para labores dentro del sistema de ventilación correspondiente a 12 [m/s] para labores horizontales (Galerías) y 20 [m/s] para labores verticales (piques y chimeneas). Para galerías donde circulen trabajadores y frentes de trabajo se utilizan valores de velocidad en función de la legislación vigente, las cuales deben encontrarse dentro del rango [15-150] [m/s] (Art. 138. DS N°72). Por otro lado, donde circule personal debe haber una corriente de aire fresco con un mínimo de 3 [m3/min] por cada persona y por concepto de maquinaria se consideran requerimientos de caudal especificados por el fabricante. En caso contrario, se determinará como mínimo 2.83 [m3/min] por cada caballo de fuerza activo al freno. Estos valores mínimos garantizan la ventilación en condiciones óptimas de ambiente y operación de maquinaria. El cálculo para requerimientos de caudal será:

Qper=3∗Nper E cuación 2.

[m3/min]

Caudal de aire por número de personas.

Donde: -

Qper:Caudal de aire requerido [m /min] Nper: Número de personas [un] 3

 m3  Qeq   Neq  Qfab  % perdidas    s 

E cuación 3.

Caudal Dilución de gases diésel.

Donde: -

-

Neq:Número de equipos [un]

Qeq: Caudal por equipos [m3/s] Qfab: Caudal recomendado por el fabricante [m 3/s]

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MODELO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ATACAMA KOZÁN A partir de lo anterior, adicionalmente se aplicará un 15% adicional por concepto de pérdidas a cada requerimiento de caudal calculado.

3.4. Factor de Fricción Se considerarán los factores de fricción que se muestran en la tabla 5, para los cálculos realizados bajo condiciones estándar.

K Fricción (Kg/m3) 0.0045 0.0119 0.019 0.019

Tipo Chimenea de inyección Galería de Producción Galería de Desarrollo Galería de Preparación Tabla 5. Factores

de fricción de Atkinson.

3.5. Longitudes, Áreas y Perímetros Como se observa en la tabla 6, se encuentra expresada la información entregada por Docente del curso correspondiente a la geometría de Galerías y chimeneas de Atacama Kozán.

Longitud (m) Sección Minera (m x m) Área (m 2) Perímetro (m)

Labor

2.5 x 2.8*

7.1

9.4

Galería Desarrollo

5.5 x 4.5**

24.75

20

Galería Preparación

4.0 x 4.0**

16

12

Galería de Producción

5.0 x 4.0

20

18

Chimenea de Eyección

5.0 x 4.0

20

18

Chimenea Inyección

447.3

Tabla 6. Geometría

Galerías y chimeneas del sistema.

3.6. Requerimientos de Caudal Final En la tabla 7, se puede observar el requerimiento total de caudal en función de las características de la faena.

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Tronadura

Marina Servicios

Requerimientos Personal Tronadura de Producción Tronadura de Preparación Tronadura de Desarrollo Personal Equipos diesel Producción Personal Equipos perforación y servicios

Caudal (m3/s) 0.5 0.6 0.3 0.4 0.5 34.2 0.5 18.7

Tabla 7. Requerimientos

Caudal Total (m3/s)

Caudal Total + Pérdidas (15%)

1.8

2.1

34.7

39.9

19.2

22.1

de caudal total de la faena.

10 | P á g i n a


4. Desarrollo del modelo Atacama Kozan en régimen explota alrededor de 4000 Tpd y para determinar que tipo de ventilador ocupar en preparación, desarrollo y producción es preponderante realizar un plan minero que especifique los requerimientos en términos de caudal a lo largo de la vida útil de la faena. Una vez conociendo la energía demandada por estos ventiladores se estimará el costo de operación y la inversión requerida en ventilación. En vista de lo anteriormente descrito se presenta el modelamiento realizado en el software VentSIM respecto al archivo proporcionado, donde se visualizan las ramas de cada una de las galerías y chimeneas que componen el circuito. El modelo desarrollado cuenta con cerca de 788 ramas que representan la red de galerías del proyecto Atacama Kozan. Cada una de las ramas y sus características se adjuntará en un Excel junto al informe. En las siguientes figuras se muestran las vistas del modelo propuesto:

Zona de Producción

Zona de Desarrollo

Zona de Preparación Ilustración 1 “Vista Planta”

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Chimeneas de Extracción

Chimenea de In ección

Ilustración 2 “Vista Perfil”

Chimenea de Inyección

Ilustración 3 “Chimenea de Inyección y Flujos en Producción

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5. Curvas Características Conforme al cálculo de caudales requeridos anteriormente realizado, se muestra a continuación los principales ventiladores y sus puntos de operación esperados. Estos corresponden a dos ventiladores principales y tres ventiladores auxiliares.

Ilustración 4 “Punto de Operación Ventilador de Inyección Principal”

13 | P á g i n a


Ilustración 5 “Punto Operación Ventilador Principal de Extracción”

Ilustración 6 “Punto de Operación Ventilador Auxiliar”

14 | P á g i n a




15 | P á g i n a


Conforme a lo descrito en las curvas de operación adjuntas anteriormente, los siguientes son los puntos de operación en términos de caudal y presión total. Nombre Ventilador

Tipo

ZVN 1-16-450/4

Inyección Principal Extracción Principal Auxiliar Desarrollo Auxiliar Desarrollo Auxiliar Preparación

ZVN 1-16-450/5 Zitrón gEL 10-55….110/2 aspas 4 Zitrón gEL 10-55….110/2 aspas 4 Zitrón gEL 7-30/2

Caudal Presion Densidad [m3/s] [Pa] Aire [Kg/m3] 184.3 1556.4 1.2

Poder, eje [Kw] 220.7

Poder, electrica [Kw] 232.3

Eficiencia [%]

176

2145.9

1.2

581

611.6

65

65

2204.9

1.2

228

240

62.8

68.6

1436.2

1.2

171.1

180.1

57.6

8.7

2516.3

1.2

33.8

35.6

65

16 | P á g i n a

65


6. Consumo de Energía, Inversión y Costos 6.1. Costo de Operación - Consumo Energía El sistema de ventilación consta de dos ventiladores principales que funcionarán en todo momento durante los 10 años de vida útil que tendrá el proyecto. Los costos de operación asociados a este funcionamiento tendrán en consideración: - Mantención de los ventiladores: 10% costo operación adicional. - Consumo de energía eléctrica: 0.2 US$/Kw-Hra.

Energía Consumida (KW) Costo Operacional (US$) Costo Mantención (US$) Costo Total (US$) Ventilación Ppal 4821 $8,446,392 $844,639.20 $9,291,031.20 Tabla xx. Energía

y costo operacional

Ver en anexos detalle de energía consumida y costos anual en relación al plan de producción minero.

6.2. Inversión y Costos de operación de cada sistema Los costos de operación estarán asociados al año cinco, el criterio de elección se basa en que una vez llegado a dicho periodo de tiempo se alcanza el régimen dentro del plan de producción y vida útil del proyecto.

Caserón Desarrollo Preparación Ventilación Ppal TOTAL



180.1 240 35.6 482.1 937.8

$315,535 $420,480 $62,371 $844,639 $1,643,026

Tabla xx. Costos

Costo Mantención (US$) 0 0 0 $84,464 $84,464

de operación de cada sistema alcanzado el régimen.

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6.3. Inversión y Costos de operación vida útil Los requerimientos de caudal simulados en función del plan de producción del proyecto, entregado por Docente del curso, son traducidos a un consumo energético (kw) necesario para mantener las condiciones óptimas para laboreos interior mina. En la tabla xx se puede observar la energía consumida y el costo asociado que significarán los 10 años de extracción.

Energía Consumida (KW) Costo Operacional (US$) Caserón Desarrollo Preparación Ventilación Ppal TOTAL Tabla xx. Costo

1463.6 1600 534 4821 8418.6

$2,564,178 $2,803,200 $935,568 $8,446,392 $14,749,338

Costo Mantención (US$) 0 0 0 $844,639 $844,639

operacional (US$) del proyecto bajo condiciones de ventilación.

En anexos se puede observar el consumo energético de cada sistema y su costo operacional asociado en función del plan de producción minero anual.

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7. Comentarios y Conclusiones Una vez realizado el circuito de ventilación de la mina propuesta, Atakama Kozan, se logra suministrar los caudales requeridos para cada zona propuesta (Preparación, desarrollo y producción). Si bien los caudales no fueron suministrados a todas las ramas del circuito, se cumplió a cabalidad lo demandado por las zonas elegidas. Podemos concluir que el software VentSIM es una herramienta que facilita de sobremanera los cálculos, ya que simplemente teniendo los caudales requeridos podemos dimensionar la cantidad y tipo de ventiladores que ocuparemos. También el software nos da la posibilidad de estimar el costo de operación que tendrán los ventiladores seleccionados además de agregar puertas, reguladores, elementos controladores de flujos, hacer simulacros de incendios, entre otros. En minería el costo de la energía electrica es cercano a un 7% del costo operacional mina. Es por ello que un correcto dimensionamiento evitando perdidas y aumentando las eficiencias de la ventilación es vital para no caer en gastos excesivos. Según Snowden Mining Industry Consultants en su informe anual se estima que la inversión en ventiladores es US$ 1500/kW, entonces teniendo en cuenta que nuestra energía consumida total es de 937.8 kW, el costo de capital para comprar los ventiladores requeridos será de US$ 1,406,700. Si sumamos esta inversión al gasto operacional a lo largo de los 10 años de la mina tenemos un total de US$ 17,000,677. Este gasto no es excesivo teniendo en cuenta los miles de millones de dólares que genera la industria minera.

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8. Bibliografía 

[…]”The following analyses are based on electric power at US$ 0.10/kWh, a fan

efficiency of 70%, main installed fan costs at US$ 1500/kW, annual fan maintenance at 15% of the operating power costs, an interest rate of 8%, a life of 7 years and a tax rate of 35%.- Snowden Mining Industry Consultants Annual Report http://www.northriverresources.com/documents/minedevelopmentplansmall.pdf 

“Ventilación de Minas” – Exequiel Yañez



https://www.cochilco.cl/Presentaciones/PPT%20Cochilco%20Costos.pdf

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Informe Atacama Kozan

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