VENTILACION DE MINAS Resistencia de las Labores Mineras al Movimiento del Aire
UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA Facultad de Ingeniería de Mina ! Metalurgia DOCEN"E
#
Ru$%n O&idi' Ri&era C()&e*
IN"EGRAN"ES # "erra*a Na&arr' Carl' G'n*al' C)rdena C'r'nad' +uli' R',a S)nc(e* Claudi' -ui.eri/a Garcia Ric(ard Vente A&al' +'% Al'n'
NAZCA – PERU
2015
UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA Facultad de Ingeniería de Mina ! Metalurgia DOCEN"E
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Ru$%n O&idi' Ri&era C()&e*
IN"EGRAN"ES # "erra*a Na&arr' Carl' G'n*al' C)rdena C'r'nad' +uli' R',a S)nc(e* Claudi' -ui.eri/a Garcia Ric(ard Vente A&al' +'% Al'n'
NAZCA – PERU
2015
Resistencia Es el grado de dificultad para transportar el aire de ventilación en una mina de un lugar a otro, dependiendo de la sección de la vía, tipo de vía (arco, madera, sin entibación, libre sin accesorios con accesorios), de su longitud y de su peso específico
Factores que Aectan la Resistencia Resistencia al Flu!o del Aire Air e Naturaleza de las Paredes • Dada la naturaleza de la mina, los conductos o ductos (galerías, chimeneas, tajeos, etc.) son irregulares y ofrece resistencia al paso del aire originando perdidas de energía, transformando la energía de trabajo en energía de calor, producto de la fricción y esta transformación sucede, por ejemplo, cuando el aire turbulento pasa por una superficie. Mientras mas spera sea la superficie, mayor ser la turbulencia y por lo tanto, mayor la fricción y mayor la perdida de poder • !or lo tanto un ducto spero cuenta con un coeficiente ms alto de fricción "ue un ducto sua#e. $i se presentan demasiadas obstrucciones en el ducto
Factores que Aectan la Resistencia al Flu!o del Aire Configuración y Tamaño $ea % el perímetro del conducto y & el rea trans#ersal al conducto, la relación entre %'& determina la forma de un conducto de #entilación y esto juega un papel importante para determinar la resistencia. oy en día, la mayoría de los pi"ues son circulares. os pi"ues circulares presentan una resistencia menor al flujo de aire "ue los rectangulares (siendo todos los dems factores los mismos). a forma de pi"ue elíptico ayuda a reducir la resistencia.
Factores que Aectan la Resistencia al Flu!o del Aire
Configuración y Tamaño oy en día los t*neles subterrneos se estn fabricando con una configuración semi-elíptica+ esta configuración resiste de mejor forma a las presiones deri#adas de los mo#imientos de rocas y tambin reduce la resistencia de dicho t*nel al flujo de aire
Factores que Aectan la Resistencia al Flu!o del Aire Configuración y Tamaño -n rea de corte trans#ersal es sumamente importante para determinar la resistencia de un conducto de #entilación. Desde el punto de #ista de la #entilación, mientras mayor sea el conducto de #entilación, mejores son los resultados, sin embargo, al aumentarse el tamao del conducto se aumentan los costos y podría aumentar el tiempo re"uerido de e/ca#ación. 0stos factores deben ser considerados antes de determinarse el tamaño óptimo de un conducto de #entilación
Longitud 0s ob#io "ue mientras mayor sea la longitud de un conducto de aire, mayor ser la resistencia al flujo de aire. Desafortunadamente, poco se puede hacer para reducir este factor puesto "ue los conductos se #entilación generalmente son creados para e/tenderse entre puntos fijos de una mina. os conductos de #entilación deberían, si es posible, ser creados por la ruta mas corta posible
Otros Sostenimiento 0l uso de grandes cantidades de madera u otra forma de soporte en un conducto de #entilación aumenta su resistencia al flujo de aire de dos maneras. • !rimero, se reduce el rea libre del conducto de #entilación • $egundo, las perdidas por cho"ue son causadas a medida "ue el aire golpea estas obstrucciones
Madera
Simbras
Transporte • os t*neles y labores de #entilación no solo se utilizan para transportar el aire, tambin se utilizan para acarreo de material y personal. • as jaulas, la ma"uinaria y las locomotoras causan una resistencia al flujo de aire
gua en Suspensión • 1otas de agua en suspensión en el aire de pueden aumentar considerablemente laresistencia. as gotas de agua se forman como resultado de la condensación o por agua "ue se escurre por las fisuras del t*nel. • $i la #elocidad del aire es inferior a los 2.3m's, las gotas se suspenden en el aire. $i la #elocidad es superior a los 44.3m's las gotas son acarreadas fuera dela labor y deben ser capturadas por un sistema de drenaje
!stablece el principio de conser"ación de la energia e#presando $ue la altura de carga total de un fluido $ue circula por cual$uier sistema se mantendr% constante si no &ay p'rdidas por rozamientos( compresión( incorporación de otro fluido o p'rdida de fluido) La altura de carga total es igual a la suma de las alturas de* carga est%tica + altura de presión carga cin'tica + altura de "elocidad carga de ele"ación + altura geod'sica &t + &s , &" , &z
Reemplazando las alturas de carga en función de las presiones en un lugar del movimiento del fluido, el cual identificaremos como "1", tendremos: pt = ps1 + pv1 + pz1 Considerando el movimiento del fluido dentro de un ducto donde hemos definido el punto "1" y determinamos otro punto "2", sin tener agregado ni perdida de fluido en ese trayecto, ernoulli dice:
0!S1ST!NC1 L M231M1!NT2 4!L 10! !l teorema de ernoulli e#presa $ue* . en el mo"imiento de un fluido en un medio ideal( las sumas de las alturas permanecen constantes) l disminuir una las otras aumentaran/ !n un medio ideal &orizontal( las alturas geod'sicas no cambian( pero si "aría el di%metro del medio( "ariar% la altura cin'tica y la altura de presión "ariar% en la misma magnitud pero con sentido contrario) !n la realidad el fluido se mo"er% en un medio real( el $ue le opondr% resistencia al mo"imiento
T!20!M 4! !0N5LL1 0l teorema de 5ernoulli e/presa "ue6 7 en el mo#imiento de un fluido en un medio ideal, las sumas de las alturas permanecen constantes. &l disminuir una las otras aumentaran8 0n un medio ideal horizontal, las alturas geodsicas no cambian, pero si #aría el dimetro del medio, #ariar la altura cintica y la altura de presión #ariar en la misma magnitud pero con sentido contrario. 0n la realidad el fluido se mo#er en un medio real, el "ue le opondr resistencia al mo#imiento
!or tanto la ecuación de 5ernoulli se transforma en6 &s6 , &c6, &z6 + &s7 , &c7 , &z7 , 8 en "ue es la prdida de carga o prdida de presión, producida a causa del roce con las paredes del medio real donde se mue#e y a causa de las singularidades "ue encuentra en su recorrido por las turbulencias "ue ellas pro#ocan. %onocer permite entregar la energía e"ui#alente para permitir el mo#imiento del aire.
%onsiderando "ue las presiones geodsicas cambian seg*n la estructura del yacimiento, del sistema de e/plotación usado y de las posibilidades de desarrollar galerías de #entilación, poco aportan para ayudar a #encer . as presiones cinticas o de #elocidad dependen del tamao de las galerías por donde se mue#e el aire (9:;'&), por lo "ue no pueden entregar presión para #encer . 0stas formas de energía podrn usarse para #encer parte del dependiendo de lo "ue se proyecte con el circuito de #entilación respecto a entradas y salidas y tamao de galerías
uego es la presión esttica la "ue debe aumentarse para #encer . 0n general 8 + &s6 - &s7 habida consideración "ue las presiones de #elocidad y los trminos geodsicos se anulan mutuamente. 7siempre un fluido se #a a mo#er desde un punto de mayor presión a otro de menor presión y su diferencia ser 8
Resistencia & Ca%da de #resi'n !ara "ue el aire fluya a tra#s de la mina, es necesario "ue e/ista una diferencia de presión entre la entrada y la salida de la misma. 0sta diferencia de presión puede deberse a causas naturales (gradiente trmica) o ser inducida artificialmente por medios mecnicos mediante #entiladores
•
Energia Inicial > Energia Perdida por Resistencia
• a perdida de energía "ue e/perimente el aire al circular a tra#s de la mina se debe principalmente a dos causas La fricción "ue se genera en el contacto entre el aire y las paredes de las e/ca#aciones+ y !l impacto del aire en mo#imiento contra obstculos ubicados en el interior de las e/ca#aciones o contra las paredes cuando al aire es obligado a cambiar de dirección
C14 4! P0!S12N !s m%s importante determinar la diferencia de presión entre dos puntos $ue la determinación de la presión en ellos) !l flu9o de aire se origina por$ue e#iste una diferencia de presión entre dos puntos del sistema y para poder lograr esta diferencia es necesario agregar energía al sistema) !sta energía es consumida en superar las resistencias $ue las labores mineras le ponen al paso de una cantidad determinada de aire)
!stas resistencias originan una caída o p'rdida de presión( llamada 8 y $ue est% dada en mm de columna de agua o :g;m7 Las p'rdidas de presión est%n formadas por dos componentes* p'rdidas por fricción y p'rdidas por c&o$ue 8 + 8f , 8# P'rdidas por fricción( representan las p'rdidas de presión en el flu9o lineal a lo largo del ducto y es producida por el roce del aire con las paredes del ducto) P'rdidas por c&o$ue son de origen local( producidas por accidentes como cambio de %rea( bifurcaciones( uniones( obstrucciones( cambios de dirección( etc)
L!< 4! 0!S1ST!NC1 La diferencia de presión entre dos %reas de un ducto est% dada por la ecuación de t:inson* 8f + =Lf = p = 37 ; >mm c)a) o :g ; m7? donde@ Lf + largo de la labor en metros + %rea de la labor en m7 p + perímetro de la labor en metros 3 + "elocidad del aire en m ; seg + coeficiente de resistencia aerodin%mica en :g seg7;mA + f = ; Bg f : coeficiente de roce γ : peso específico del aire en =g ' m> g: aceleración de gra#edad m'seg?
Puesto $ue 3 + ; la fórmula anterior se puede e#presar como* 8f + = Lf = p = 7 ; D >mm c)a) o :g ; m7? C2!E1C1!NT! 4! 0!S1ST!NC1 !0241NM1C "aría de acuerdo al nFmero de 0eynolds( pero se &ace insignificante a medida $ue 0e crece) Como en las labores mineras el mo"imiento del aire es turbulento con un alto 0e( se considera constante) se puede determinar en terreno o por medio de tablas) + G = H; 6(7 corregido de acuerdo al peso específico del lugar) %oeficiente de resistencia aerodinmica para el peso específico
γ
!l c%lculo de usando la e#perimentación en terreno se &ace por la fórmula* 8f + G
# Lf # P # 7H ; D
4ónde + G8f=DH;Lf=p=7 Todos los par%metros $ue inter"ienen pueden ser determinados en terreno) Si se trata de un proyecto donde no &ay datos de terreno( se usan tablas)
tipo de galería irregularidades "alores de alfa de la superficie limpias
"alores de alfa "alores de alfa obstrucción pe$ueña obstrucción modera
superficie sua"e
mínimo promedio m%#ima
6I 7I DB
7I DB AB
AB JK LK
roca sedimentaria
mínimo promedio m%#ima
JK 6MJ 6DD
LK 66A 6AD
BL 6DD 6L7
mínimo galerías promedio enmaderadas m%#ima
6J7 6B6 7MM
6L7 6IM 7MI
6IM 7MI 77M
mínimo promedio m%#ima
6K6 7KI DK6
6B6 7BJ DBM
7MM DMA DII
roca ígnea
0!S1ST!NC1S L2CL!S Las p'rdidas por c&o$ues son de origen local( producidas por turbulencias( remolinos( frenadas del aire al enfrentar di"ersos accidentes dentro del circuito) Los accidentes son( cambios de dirección( entradas( contracciones( etc) Tambi'n dependen de la "elocidad y del peso específico del aire) 8# + = 37 = ; 7g en mm de c)a) o :g;m7 + coeficiente de resistencia local( $ue se determina de tablas
5n m'todo m%s adecuado para calcular estas p'rdidas Las p'rdidas por c&o$ue se asimilan a las p'rdidas por fricción a tra"'s de los largos e$ui"alentes( o sea se trata de determinar a $ue largo físico de una galería e$ui"ale la p'rdida por c&o$ue) Se igualan las p'rdidas por fricción con las p'rdidas por c&o$ues 8f + 8#( luego* = Lf = P = 37 ; + = 37 = ; 7g sumiendo el largo Lf el "alor de largo e$ui"alente Le( Le + G = = H;G 7g = = PH
continuación se ad9untan tablas de Le para p'rdidas por c&o$ue m%s comunes y diferentes tamaños de galerías) !stos "alores se obtu"ieron para aire normal( y un coeficiente de resistencia aerodin%mica + (6BI Para obtener datos de acuerdo a un determinado los "alores deben ser multiplicados por (6JB= ;
L02S !513L!NT!S( P0
+ (6BI
L02S !513L!NT!S( P0
+ (6BI
L02S !513L!NT!S( P0
+ (6BI
L02S !513L!NT!S( P0
+ (6BI
L02S !513L!NT!S( P0
+ (6BI
Fórmula fundamental de ventilación. Considerando el reemplazo de Hx por el largo e!uivalente tendremos, entonces, la fórmula para la cada de presión: H
=
* (Lf + Le) * P * Q 3
A
Le
2
# $mm% de c%a% o &g'm 2 (
donde: ) = cada de presión, &g'm 2 = coeficiente de resistencia aerodin*mica, &g seg 2 'm -f = largo f.sico, m# -e = largo e!uivalente, m# / = rea, m 2 # 0 = permetro, m# = caudal, m 'seg
3i - = -f + -e H
=
R
=
R * Q2 *L*P A3
4onde "R" representa la resistencia de las la5ores mineras al paso del aire% 3i el aire est* dado en m'seg% y la p6rdida de presión en mm% de columna de agua se define a la unidad de resistencia igual a 1 &ilomurgue $7 ) = 1%888 murgue 9 como la resistencia !ue opone al paso del aire una la5or por la cual 1 m 'seg de aire circula con una depresión igual a 1 mm% de columna de agua% -a facilidad o dificultad de ventilación de una la5or depende del valor de "R"% -a resistencia puede reducirse disminuyendo el valor de " ", disminuyendo el largo de la galera o el aumento del *rea%
/ continuación se muestra esta fórmula fundamental de ventilación de minas seg;n los m*s usados sistemas de medidas: Par"metr#! H
R 0 +0,
$.%.. R * Q2 %'r.(m2 mm.c.a. * L * P ( A3 , <,8>
i!tema! .&. R * Q2 Pa!cal (m2 + * L * P ( A3 %'r(m/ +
&n'le! R * Q2 Pul'. c.a. , * L * P ( -2A At,in!#n 1-*134 ,
1. Re5re!entación 'r"fica. -a ?órmula fundamental de la ventilación de minas tiene su representación en un sistema cartesiano, donde en el e@e de las "A" tenemos la Cada de 0resión H y en "B" el caudal Q% Como sa5emos, cual!uier galera o un sistema de ella formando un circuito de ventilación est representado por la fórmula:
H = R * Q2 sta ecuación, en el sistema definido nos representa a una par*5ola !ue pasa por el origen% n general, cuanto mayor es la resistencia R, m*s parada ser* la par*5ola y, por consecuencia, para un mismo caudal , mayor ser* la cada de presión ), como puede apreciarse en la siguiente figura%
