ATMÓSFERA DE MINAS Composición del aire de Minas La composición del aire atmosférico seco es: Nitrógeno Oxígeno Anhídrido Carbónico Argón Otros gases
78.08 % según volumen 20.95 0.03 0.93 0.01
El contenido de vapor de agua en el aire oscila entre 0.05 y 4 % en promedio 1% según volumen, no influye sobre la relación entre oxigeno. Al pasar por una mina, la composición del aire cambia: la cantidad de oxígeno disminuye, la del Anhídrido Carbónico aumenta; además, se agregan al aire se gases (CH4, H2S, SO2, CO, H), vapores y polvo. Se considera que el aire de las minas está compuesto por: aire atmosférico, gases activos (gases explosivos o nocivos) y por aire muerto (mezcla de Anhídrido Carbónico y nitrógeno). Un hombre en reposo consume cerca de 7 litros / minutos de aire. Esta cantidad pasa a 25 litros / minutos cuando trabaja, y pude ascender hasta 40 lts. Si hace un esfuerzo considerable. El hombre aspira el aire con 17 % de oxígeno. Oxígeno (O 2 ): ): Es un gas desprovisto de color, sabor y olor. Su peso específico que con respecto al aire es de 1,11; es muy activo, necesario para la combustión y respiración. Las principales causas de disminución del oxígeno en el aire de mina son: o o o o o o
Proceso de oxidación lenta de la materia orgánica (madera de mina, combustibles, roca) Desprendimiento de gases por los carbones y las rocas Explosiones de grisú y de polvo Incendios Respiración de las personas Combustión de las lámparas y motores.
La disminución del contenido de oxigeno hasta un 17% provoca disnea y palpitación. El descenso por debajo del 12 a 14 % puede provocar la muerte. Algunos países fijan el contenido mínimo de oxigeno en las labores activas en 19,5 – 20 %. Para el control del aire respecto al contenido de oxigeno en el aire de mina, se puede utilizar una lámpara minera de llama, que con la disminución del O2 en el aire por debajo de lo normal, empieza a oscurecer, y se apagan si el contenido de oxígeno es menor del 17 – 16 % Nitrógeno Nitrógeno (N 2 ): ): Es un gas incoloro, sin color no sabor; de peso específico 0,97; químicamente químicamente inerte. Es prescindible prescindible para la respiración y la combustión. combustión. No es nocivo, pero el aumento de su contenido contenido en el aire de minas es perjudicial para el hombre, por ser la causa de la disminución del oxígeno. Las fuentes de aumento del contenido de nitrógeno son: Putrefacción de sustancias orgánicas. o Trabajos con explosivos. o 1
o
Desprendimiento de nitrógeno de las rocas y los carbones (el grisú contiene hasta 40% de Nitrogeno).
Anhídrido carbónico (CO 2 ): ): gas sin color y olor, con un sabor ligeramente ácido, de peso específico de 1,53; es soluble en agua. Su punto de fusión de 57°C está por arriba de su punto de ebullición de 78,5°C. Es inofensivo para las personas hasta 0,5 %; con 3 % de este gas la lámpara empieza a apagarse y la frecuencia de la respiración aumenta; con un 5 % la lámpara se apaga y la respiración se triplica; con 10%, 10%, pued puedee produci producirr estado de coma y con 20 a 25 %, la muerte muerte en algunos algunos segundos. segundos. En peq pequeña ueñass cantidades estimula la respiración. Los mineros experimentados reconocen la presencia de CO2 por la dificultad de la respiración, el calentamiento de las piernas y de la piel que se enrojece; por dolor de cabeza y decaimiento general. Concentraciones mayores provocan la tos y aceleración de la respiración. El anhídrido carbónico se forma por: o Hulleras subterráneas durante la putrefacción de la madera de mina. o Oxidación lenta del carbono o Descomposición de rocas carbonatadas por la acción de las aguas ácidas o Explosiones de grisú y polvo de carbón. o Incendios subterráneos. o Trabajos con explosivos. o Respiración de las personas. o Combustión de motores, etc. En minas bien ventiladas, el contenido de anhídrido carbónico carbónico en lugares de trabajo no deben sobrepasar de 0,25 a 3%. Los reglamentos de seguridad fijan el contenido máximo de CO2, para lugares de trabajo donde no debe superar el 0,5 % (según volumen) y en corrientes de aire saliente el 0,75 %. El anhídrido carbónico carbónico es 1.5 veces más pesado que el aire y por esto puede acumularse en el piso de las labores y en la parte inferior de las labores inclinadas. inclinadas. El CO2 se identifica mediante lámparas de seguridad que a la vez indica el contenido de oxígeno en el aire. La llama de la lámpara de acetileno no es indicador, ya que todavía arde cuando el hombre está asfixiado. Oxido de carbono (CO): Es un gas sin tiene sabor, color ni olor, es poco soluble en agua, tóxico, con peso específico 0,97, combustible, explota cuando su contenido en el aire es de 13 a 75 %. La venenosidad de CO se debe a la propiedad de la hemoglobina de la sangre al unirse con él, de 250 a 300 veces mas rápidamente que con el oxígeno. El trabajo prolongado de las personas en atmósfera atmósfera que contiene 0,01% de CO, provoca una enfermedad crónica grave. El contenido de 0,4 % de CO en la atmósfera se considera mortalmente peligroso, peligroso, y el contenido del 1% de CO provoca en 1 ó 2 minutos la muerte. El único método para salvar a una persona caída en sincope por CO, consiste llevarla cuanto ante al aire puro y aplicarle respiración artificial con oxígeno puro ó con 5 a 10 % de CO2, colocarle inyecciones cardíacas, si el pulso es débil. En casos muy graves se colocan inyecciones intravenosas ó subcutáneas. El óxido de carbono se forma en las minas durante: o o
2
Las pega de los barrenos. Los incendios subterráneos.
o
Desprendimiento de nitrógeno de las rocas y los carbones (el grisú contiene hasta 40% de Nitrogeno).
Anhídrido carbónico (CO 2 ): ): gas sin color y olor, con un sabor ligeramente ácido, de peso específico de 1,53; es soluble en agua. Su punto de fusión de 57°C está por arriba de su punto de ebullición de 78,5°C. Es inofensivo para las personas hasta 0,5 %; con 3 % de este gas la lámpara empieza a apagarse y la frecuencia de la respiración aumenta; con un 5 % la lámpara se apaga y la respiración se triplica; con 10%, 10%, pued puedee produci producirr estado de coma y con 20 a 25 %, la muerte muerte en algunos algunos segundos. segundos. En peq pequeña ueñass cantidades estimula la respiración. Los mineros experimentados reconocen la presencia de CO2 por la dificultad de la respiración, el calentamiento de las piernas y de la piel que se enrojece; por dolor de cabeza y decaimiento general. Concentraciones mayores provocan la tos y aceleración de la respiración. El anhídrido carbónico se forma por: o Hulleras subterráneas durante la putrefacción de la madera de mina. o Oxidación lenta del carbono o Descomposición de rocas carbonatadas por la acción de las aguas ácidas o Explosiones de grisú y polvo de carbón. o Incendios subterráneos. o Trabajos con explosivos. o Respiración de las personas. o Combustión de motores, etc. En minas bien ventiladas, el contenido de anhídrido carbónico carbónico en lugares de trabajo no deben sobrepasar de 0,25 a 3%. Los reglamentos de seguridad fijan el contenido máximo de CO2, para lugares de trabajo donde no debe superar el 0,5 % (según volumen) y en corrientes de aire saliente el 0,75 %. El anhídrido carbónico carbónico es 1.5 veces más pesado que el aire y por esto puede acumularse en el piso de las labores y en la parte inferior de las labores inclinadas. inclinadas. El CO2 se identifica mediante lámparas de seguridad que a la vez indica el contenido de oxígeno en el aire. La llama de la lámpara de acetileno no es indicador, ya que todavía arde cuando el hombre está asfixiado. Oxido de carbono (CO): Es un gas sin tiene sabor, color ni olor, es poco soluble en agua, tóxico, con peso específico 0,97, combustible, explota cuando su contenido en el aire es de 13 a 75 %. La venenosidad de CO se debe a la propiedad de la hemoglobina de la sangre al unirse con él, de 250 a 300 veces mas rápidamente que con el oxígeno. El trabajo prolongado de las personas en atmósfera atmósfera que contiene 0,01% de CO, provoca una enfermedad crónica grave. El contenido de 0,4 % de CO en la atmósfera se considera mortalmente peligroso, peligroso, y el contenido del 1% de CO provoca en 1 ó 2 minutos la muerte. El único método para salvar a una persona caída en sincope por CO, consiste llevarla cuanto ante al aire puro y aplicarle respiración artificial con oxígeno puro ó con 5 a 10 % de CO2, colocarle inyecciones cardíacas, si el pulso es débil. En casos muy graves se colocan inyecciones intravenosas ó subcutáneas. El óxido de carbono se forma en las minas durante: o o
2
Las pega de los barrenos. Los incendios subterráneos.
o o o
o
o o o o o o
Explosiones de grisú y particularmente de polvo de carbono. Con la combustión de motores mal regulados. La cantidad de CO, que se forma durante la pega de barrenos, depende de muchos factores: de la composición composición del explosivo, del método de pega, si la explosión es completa, del medio en que se realiza la voladura. Para los cálculos se admite que 1 kg de explosivo en condiciones mineras produce 40 litros de oxido de carbono condicional (oxido de carbono más ácido nítrico recalculado). Los gases de escape de automóviles contienen de 3,5 a 7% de CO, según su volumen. El oxido de carbono puede ser detectado en el aire por diversos métodos: Análisis químico de la muestra del aire minero, Indicadores colorímetros, Indicadores térmicos, Mediante pequeños animales (ratones y canarios).
Concentración de de CO CO en en el el ai aire,% se según vo volumen
Comportamiento de de lo los ca canarios
0,1 a 0,12
Efectos visibles entre 30 a 230 min. Inseguros de 4 a 7 min, enfermos de 5 a 12 min, muertos de 18 a 13 min. Inseguros en 1,8 a 2,5 min, enfermos en 3 a 6 min, muertos en 2,8 a 13 min. Un ave murió después de 40 min de exposición.
0,14 a 0,16 0,2 a 0,24
Entre los reactivos que se usan en minería para la determinación de CO están: el cloruro de paladio PdCl2 y el pentóxido de yodo. Indicador calorímetro de paladio (URSS), consta de un recipiente de vidrio con un tubo lleno de una sustancia para absorber todos los gases activos del aire, menos CO. Dentro del recipiente se encuentra papel humedecido por una solución de cloruro de paladio. Al apretar el bulbo aspirador, el aire entra en el aparato y, si éste contiene óxido de carbono, el papel ennegrece por precipitación del paladio metálico según la siguiente reacción: PbCl2 + H2O + CO ⇒ Pb + 2HCl + CO2 El límite inferior de medición es 0,1% de CO.
Detectores calorímetros de pentóxido de yodo: La acción de estos detectores se basa en la propiedad del óxido de carbono de descomponer el pentóxido de yodo I2O5 + 5CO ⇒ I2 + 5 CO2. El yodo colorea la sustancia embebida por pentóxido de yodo de verde azulado. Los pequeños tubos con reactivos están soldados en ambos extremos. Antes Antes de ensayar el aire sobre CO, se cortan los extremos soldados en tubito, éste se coloca en el detector y mediante el aspirador se hace pasar el aire. El campo de utilización del detector es: 0,1 a 1% de CO; su límite inferior de sensibilidad es 0,05%. 3
Detectores térmicos de óxido de carbono: el principio de funcionamiento de estos detectores se basa en la medición del efecto térmico de la reacción de óxido de carbono en bióxido de carbono en precensia de hopcalita. Partes: 1, bomba de mano 2, recipiente 3, filtro de polvo 4,5,6, columnas con carbogel 7 cámara de reacción con hopcalita y termobaterías 8, columnas de salida con carbogel 9, rotámetro para la determinación de la velocidad del aire 10, galvanómetro La duración de la medición es de 5 minutos. El aparato permite de 50 a 60 operaciones sin recargarlo.
Ácido sulfhídrico (H 2 S): Es un gas sin color, con fuerte olor a huevo podrido y gusto azucarado; su peso específico es de 1,19 y arde cuando su concentración alcanza 6 % y forma mezcla explosiva. Es muy soluble en agua. Es fuertemente venenoso, irrita la mucosa de los ojos y de los conductos respiratorio y ataca el sistema nervioso el envenenamiento se produce en media hora, con el contenido de 0,05% de ácido sulfhídrico, y con 0,1 % rápidamente prodece la muerte. El H2S es mucho mas tóxico que el CO, dos de sus propiedades lo hacen menos peligroso, los accidentes con ácido sulfhídrico se presentan muy raramente. La primera es su olor característico, inmediatamente reconocible. La segunda, que la víctima retirada a tiempo se repone rápidamente al aire libre, sin conservar rastros de envenenamiento ni alteraciones en sangre. Pero el sentido del olor no puede ser considerado como un medio de detección, ya que después de 1 a 2 inhalaciones los nervios olfativos se paralizan, y el olor del ácido no puede ser detectado. En la Argentina el ácido sulfhídrico se encuentra en gran cantidad en las minas de determinados minerales como la asfaltita. Las fuentes de formación de ácido sulfhídrico son: o putrefacción de materia orgánica, descomposición de minerales, o desprendimiento de las grietas (minas de sal, de asfaltita, etc), o detonación de barrenos (particularmente con combustión incompleta del explosivo, mecha, etc); o a veces acompaña al metano. o Como indicador ácido sulfhídrico puede utilizarse el papel impregnado en acetato de plomo, que ennegrece con las menores trazas de éste gas. Anhídrido sulfuroso SO2: gas incoloro, sofocante, con fuerte olor sulfuroso, inflamable, muy pesado, de peso específico de 2,26. Se disuelve muy fácilmente en agua. 4
Es muy venenoso, ya que concentraciones en el aire de 0,001% ataca a las mucosas y con 0,05% es peligroso para la vida. El anhídrido sulfuroso se forma por: combustión de cabones con fuerte contenido de azufre, o durante la dinamitación de ciertos minerales sulfurosos, o o por desprendimiento de carbón y rocas con ácido sulfhídrico. Comúnmente se encuentra en cantidad insignificante en el aire de mina. Oxido de nitrógeno: Este gas se forma en las minas en trabajo con explosivos, particularmente en explosiones incompletas de dinamitas. También son componente de los gases de escapes de máquinas diesel y gasolina. La composición de óxido de nitrógeno depende de las condiciones de su formación, temperatura y humedad. Los vapores de óxido de nitrógeno son muy tóxicos. Estos se disuelven en la humedad de los pulmones, formando ácido nítrico y nitroso, que corroen las vías respiratorias, y la respiración de cantidades pequeñas puede provocar la muerte. Una particularidad muy engañosa de acción del ácido de nitrógeno sobre los pulmones humanos es que la intoxicación aparece después de cierto tiempo. Como indicador de óxido de nitrógeno puede servir el papel humedecido con soluciones de almidón y yoduro de potasio, que se colorea en azul con la presencia en el aire de este óxido. Gas de compresores: Forman parte de este gas CO, CH4. Se forman en compresores por descomposición del aceite lubricante y llegan con el aire comprimido a los frentes de trabajos, y amenazan con la muerte a los mineros. Las medidas de precaución contra la contaminación del aire comprimido son: o o o
Utilizar como lubricante únicamente aceites minerales con alto punto de inflamación Control del sistema de refrigeración Purgar los recipientes de compresores de los aceites acumulados en cada parada del compresor.
Hidrógeno H 2: Gas sin olor, ni sabor, es muy liviano de peso específico 0,07; fisiológicamente inocuo, mas inflamable que el grisú. El hidrógeno acompaña en las hulleras al CH4. Vapor de mercurio: Excesivamente pesado, se elimina únicamente por intensa ventilación. El polvo de cinabrio, igualmente, es un vehículo peligroso de mercurio. La permanencia en minas de mercurio es particularmente insalubre. Conviene alternar para los mineros el trabajo subterráneo con el de agricultura, lo que no siempre es de agrado para los mineros. Vapores de mercurio: excesivamente pesado, se elimina únicamente por intensa ventilación. El polvo de cinabrio es un vehículo peligroso de mercurio. Radón: En ciertos filones metalíferos, particularmente en las minas de uranio, por transformación del uranio en plomo, formándose así este gas muy radiactivo. Este gas se mueve con el aire y se acumula con frecuencia en el techo, particularmente cerca de los afloramientos. Su respiración duradera provoca una enfermedad conocida como enfermedad de mineros de Schneeberg , una especie de cáncer de los pulmones muy temible. El reconocimiento de radón se hace con contadores Geiger, bien conocidos. El minero puede ser protegido de radón solo por una buena ventilación. 5
Tetraclururo de silicio SiCl 4: Es otro gas que puede encontrarse en las minas metalíferas, sobre todo en los cuerpos plutónicos jóvenes, ricos en pegmatitas. Su acción es muy nefasta, ya que acelera el mal por silicosis, si la ventilación es insuficiente. Metano CH 4: es una de las impurezas más peligrosas en la atmósfera de minas, por su propiedad de formar mezclas explosivas con el aire. Las explosiones de metano han sido la causa de muerte en masa de centenares de los mineros a la vez. Debido a su poca reactividad química a temperatura normal, queda hasta ahora como única medida practica para la eliminación la buena ventilación. Composición del grisú: El grisú es casi sinónimo del metano, del que contiene un promedio de 955, con impureza con anhídrido carbónico, nitrógeno y a veces de hidrógeno, etano, ácido sulfhídrico, y óxido de carbono. La parte combustible del grisú casi siempre está representada por metano puro. Más ricas en metano son las muestras recolectadas de los barrenos en el carbón, que a veces contienen 99,9% de metano. El Hidrógeno y el etano son componentes relativamente raros del grisú en minas de carbón; su contenido no sobrepasa el 1 - 4 %. Únicamente en hulleras situadas por arriba de los mantos petrolíferos y en minas de potasa que a veces contiene más de 10 % de etano. El contenido de anhídrido carbónico en el grisú comúnmente es menor de 1%, y no sobrepasa de 5%, el de nitrógeno varía entre 0,2% a 30%. El óxido de carbono ha sido encontrado en cantidad de 0,1 a 1%. La presencia de hidrocarburos superiores y de hidrógeno, en el grisú, aumenta su explosividad, debido al punto de inflamación más bajos de estos gases.
Grisú Formación del metano: La formación del grisú en los yacimientos de carbón es contemporánea de la hulla. El proceso de carbonización consta de dos fases: en la primera se desarrollan CO2 y H2O y en la segunda CH4, bajo continuo enriquecimiento con C. El grisú a veces se forma por la putrefacción de madera vieja debida a su fermentación. El grisú se encuentra en mantos de carbón y rocas vecinas, en dos formas: en estado libre, en grietas y poros, y en estado combinado. El gas puede ser adsorbido en la superficie de la masa del carbón (unión física) y absorbido por difusión en la masa del carbón (solución sólida con el C). El gas adsorbido fácilmente se desprende con la disminución de la presión y el aumento de la temperatura del medio en que se encuentra. Desprendimiento normal del grisú: Algunos mantos de carbón no desprenden grisú, lo que es una ventaja durante la explotación desde el punto de vista de seguridad; pero la mayoría de las minas de carbón si desprenden grisú. Se pueden diferenciar tres tipos de desprendimiento del grisú: 1. Normal: Por poros invisibles al ojo y grietas en el carbón y en las rocas vecinas, desde toda la superficie abierta, el cual es continuo, lento y duradero. 2. Por flujos de grietas visibles al ojo, que es de duración variable 3. Desprendimiento instantáneo de metano o también de anhídrido carbónico, característicos por su brusquedad y su violencia. 6
El desprendimiento normal comúnmente se acompaña por un crujido peculiar, “canto” de mineros franceses, que se debe a la gran velocidad de la separación del grisú, al arranque de pequeñas partículas de carbón y al agrietamiento del mismo. Los principales factores que influye sobre el contenido de gas m3/t en mantos de carbón son: 1. Composición química del carbón, que a su vez depende del estado de metamorfismo del carbón. Los lignitos terciarios generalmente tienen poco grisú. De los carbones negros frecuentemente los mas rico en gas son los mantos de antracita. 2. La porosidad del carbón y de la rocas vecinas. 3. El nivel estratigráfico. Los horizontes mas anciano generalmente son mas gasíferos que los horizontes mas recientes. 4. La profundidad. Las minas profundas tienen mas gas que las otras. 5. La influencia tectónica. Las fallas, y especialmente las inversas, los pliegues volcados, los domos y en general todos aquellos puntos donde los mantos son laminados o triturados, están siempre sujetos a desprendimientos de gas. 6. Las grietas acuíferas. La presencia de red de grietas acuíferas, a pesar de la poca solubilidad de metano en el agua, con el tiempo drena el gas de las rocas y mantos, y hace los yacimientos menos gaseosos. 7. El contenido de gas en las rocas vecinas.
Control del grisú: Los reglamentos de seguridad prescriben una serie de medidas de control del grisú. Por ejemplo los principales artículos del reglamento de seguridad francés en vigencia (decreto del 4 de mayo de 1952, modificado el 10 de mayo de 1955) son: Art. 176 – Medición mensual de caudales de aire. Art. 177 – vista de laboreos y de puntos sospechosos con una lámpara de llama o grisúmetro antes de la llegada de los obreros. Art. 1178 – Examen grisuscópico 2 veces por turno todas las labores. Art. 179 – Examen grisuscópico diario del retorno de aire; análisis de control, una vez al mes. Medidas contra las formación de grisú en las labores subterráneas Como único método efectivo de combatir la acumulación del grisú es una buena ventilación, todas las medidas deben ser dirigidas a resguardar su máxima seguridad y eficiencia. 1. Según reglamento de seguridad, la ventilación de minas debe ser echa mediante ventiladores, y no por tiro natural. En caso de paro del ventilador, los obreros deben ser retirados de forma inmediata, y la corriente eléctrica debe ser desconectada. 2. División de la mina en secciones independientes ventiladas por corrientes parciales, con retorno de aire separado por cada sección. 3. Utilización del esquema ascendente de ventilación para las labores de arranque ascendente, con el ángulo de inclinación mayor a 10°. 4. La ventilación en el frente debe realizarse por una corriente intensa, y no por cuenta de difusión. 5. Utilización de la ventilación aspirante de la mina, salvo para el primer nivel, y de ventiladores auxiliares impelentes para labores ciegas. 6. Reducción al mínimo de topes ciegos ascendente. 7
7. Proyectar suficientemente ancha, con aberturas equivalentes no menores a 1,5m2, y la depresión no mayor de 150 a 300 mm. 8. Utilización de la ventilación diagonal. 9. Ventilación de las labores preparatorias, dentro de lo posible, por cuenta de la depresión de la mina. 10. Disposición de frente de arranque de subniveles, con avance de frente inferior. Medidas contra la inflamación de gas acumulado 1. Prohibición de fuego abierto, llevar fósforo y fumar en las labores subterráneas. 2. Utilización para el alumbrado de labores de lámparas de seguridad de acumuladores. 3. Utilización para la medición del grisú de lámparas de seguridad con bencina o indicadores de gas apropiado. 4. La menor utilización posible de explosivos. 5. Utilizar únicamente explosivo de seguridad, de electro - detonadores de acción instantánea y de medios de detonación autorizados. 6. Utilización de buen retaco interior, de un material no inflamable (arcilla, arena, etc.), cuyo largo debe ser no menor de la mitad del barreno. Largo mínimo de barreno: 65cm. 7. Ejecución de la pega de terrenos únicamente con concentraciones de metano menor al 1% en el frente, y a distancia de 20m. de el. 8. Evitar el mayor calor de frotamiento en canales oscilantes, cintas transportadoras, etc. 9. Cumplimiento de medidas preventivas en la utilización de la corriente eléctrica. 10. Reemplazo de la energía eléctrica por neumática, cuando existe fuertes desprendimientos de grisú.
Polvo de mina El polvo de mina es un conjunto de finas partículas minerales suspendidas en el aire de la atmósfera de minas o asentadas sobre las paredes, el piso y el techo de las labores mineras. El aire con polvo forma un sistema disperso denominado aerosol de polvo. El polvo asentado constituye aerogel de polvo. La aptitud de las partículas de polvo de quedarse suspendidas en el aire un tiempo más o menos largo depende de la finura del polvo, de su forma, peso específico y también de la velocidad de movimiento del aire, de su humedad y temperatura La duración de la suspensión de una partícula de polvo en el aire inmóvil se determina básicamente por interacción de dos fuerzas: la gravedad de la partícula y la resistencia del aire. Bajo la acción de la fuerza de gravedad, la velocidad de caída de las partículas aumenta; al mismo tiempo, crece la fuerza de resistencia del aire. La partícula de 10 μm cae, desde cierto momento, con velocidad constante v, cuyo valor se determina por la ley de Stokes. 2r ( γ − γ 1 ) g 2
v=
Donde: r = radio de la partícula, en cm; γ = peso específico de la partícula gr/cm3 8
9υ
γ1 = peso específico del aire gr/cm3 g = aceleración de la gravedad 981 cm/seg2 υ = viscosidad del aire inmóvil a 21° υ = 1,81.10 -4 poises Se puede omitir el peso específico del aire puesto que es muy pequeño comparado son el de la partícula. Colocando en la formula anterior los valores de v y γ, tenemos: v = 1,2.106 r 2 γ Acción del polvo sobre la salud El contenido de polvo en el aire se expresa: gravimétricamente (en miligramos de polvo por 1 m3, o numéricamente) por el número de partículas por 1 cm3. En el caso de polvo no tóxico, el aire se considera Contenido de Polvo Estado del Aire 3 1 mg/m Poco contaminado 3 5 mg/m Moderadamente contaminado 3 10 mg/m Contaminado 3 20 mg/m Muy contaminado 3 100 mg/m Excesivamente contaminado El aire siempre contiene en suspensión partículas de polvo. A veces en las ciudades, el aire contiene hasta 50.000 ó 200.000 partículas por cm3. En las minas en explotación, el contenido de polvo suspendido en el aire oscila mucho según el lugar desde algunos miligramos hasta algunos centenares de miligramos por m3, alcanzando algunas veces en algunos lugares (en frente de arranque de carbón durante la roza, en chimeneas después de la pega de barrenos) algunos gramos (5 - 15) por m3. Se distinguen los siguientes tipos de polvo: 1. Polvo mineral no tóxico 2. Polvo mineral tóxico, con mineral de mercurio, plomo, cobre, arsénico, etc. 3. Polvo de carbón Hasta el polvo no tóxico, contenido en el aire en importantes cantidad, es nocivo, ya que irrita las vías respiratorias y los ojos, ataca los pulmones y desorganiza las funciones del organismo humano en conjunto, provocando la enfermedad denominada neumoconiosis. Según la variedad de polvo, se diferencian: o o o o
o
La silicosis: forma más distribuida y muy peligrosa neumoconiosis. La silicatosis: se provoca por la aspiración de silicatos (asbesto, etc) La antracosis: se debe a la aspiración del polvo de carbón La antraco-silicosis: se produce por consecuencia de la acción natural de polvo de carbón y de sílice. La silico-tuberculosis: silicosis complicada por tuberculosis.
El proceso de acción patológica del polvo de rocas que entran en los pulmones (alvéolos) es muy complejo y asta el presente está poco aclarado. La teoría de la solubilidad, mas conocida actualmente que explica la producción de esta enfermedad por la disolución lenta en el líquido de los tejidos de los 9
pulmones del las partícula de sílice que entran allí a su transformación parcial en ácido silícico H2CO3 activo que actúan químicamente sobre los tejidos de los pulmones. El de defensa de los pulmones contra los cuerpos extraños lo constituyen los fagocitos o células devoradoras, cuya función es envolver los cuerpos extraños y transportarlos por caminos linfático. Estos se producen con el polvo no peligroso, mientras la calidad del aire aspirado no sobrepasa la posibilidad de defensa de lo fagocitos. Con el polvo destructor de los pulmones (ganga cuarzosa de minas metalíferas, material silíceo de hulleras) la defensa mediante fagocitos raramente es suficiente. Se observó con frecuencia no pueden resistir y mueren, dejando libre las partículas encerradas por ellos, las que son encerada de nuevo por otros fagocitos, los que también mueren. La enfermedad se desarrolla progresivamente en tres grados. Los indicios del primer grado son: malestar general, ahogo en el trabajo, leve tos seca. El segundo grado se caracteriza por frecuente dolor en el pecho, respiración netamente disminuida, tos seca ó húmeda, visible disminución de la capacidad de trabajo. En el tercer grado aparece algo hasta en estado de tranquilidad, tos con esputos, dolores en el tórax, pérdida total de la capacidad de trabajo. Para la enfermedad de silicosis se necesitan cuatro condiciones básicas: 1. Concentración del polvo, que influye en la cantidad del polvo aspirado. 2. Tamaño y forma de los granos del polvo, así como su composición mineralógica, es decir, si en el polvo aspirado existen minerales nocivos para los pulmones - puro o en forma de mezcla, en porcentaje que pueda originar la silicosis. 3. Tiempo de estadía en el aire contaminado por el polvo, es decir - la duración de la exposición del hombre a una mezcla dada de polvo, con bajas o altas concentraciones, con un porcentaje bajo o alto de mineral nocivo para los pulmones. 4. Constitución física de la persona. Por ella se entiende hasta que grado el cuerpo está en condiciones de desarrollar la fuerza de defensas, en base a la capacidad de funcionamiento de sus órganos internos. Fuentes de polvo El polvo se forma en la s minas principalmente durante: perforaciones, roza neumoconiosis. y arranque del carbón, trabajo con explosivos, carga y trasbordo de minerales y de carbón, su transporte, clasificación seca y beneficio seco. Medidas contra el polvo Uno de los más importantes problemas de saneamiento de las condiciones de trabajo en las minas lo constituyen las medidas contra el polvo. Las medidas técnicas contra el polvo son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 10
Ventilación activas de las labores subterráneas Perforación de barreno con inyección. Utilización para la perforación únicamente de agua limpia. Perforación con empleo con humectantes. Captación de polvo en seco. Mojado de las paredes antes y después de la dinamización y del material por cargar antes y durante la carga
7. Pulverización de agua en lugares de formación de polvo 8. Roza húmeda. 9. Inyección de agua en el macizo de carbón 10. Aspiración de polvo en lugares de gran formación. 11. Utilización de los métodos de arranques en masa y por hundimiento en masa del método hidráulico de arranque de carbón; disminución de los trabajos preparatorios. 12. Introducción de agua, filtros eléctricos, asentamiento de polvo por aerosoles. 13. Defensa individual mediante utilización de mascaras antipolvo. El resultado satisfactorio de la lucha contra el polvo de mina se obtiene únicamente por el cumplimiento conjunto de las medidas indicadas.
Ventilación Activa La ventilación adecuada de las labores subterráneas, conjuntamente con la utilización de otros medios de eliminación de polvo, permite rebajar bastante la contaminación del aire en los frentes activos, así como también en toda la mina. En todas las partes de la mina donde esto es factible, el aire contaminado debe ser dirigido por las secciones inactivas de las minas. Para el transporte de polvo es suficiente una velocidad del aire del orden de 0,25 a 0,3 m/seg., pero con fuerte formación de polvo se necesitan velocidades mayores de 2 a 3 m/seg. y más. El polvo levantado por la corriente de aire, según Patterson, está formado más bien de grandes partículas que de pequeñas. Las pequeñas partículas se retienen mas frecuentemente por la fuerza de cohesión hacia la superficie sobre la que se han asentado.
Control de polvo El control ambiental de las minas consiste en la determinación del contenido cuantitativo del polvo en la atmósfera de la minas durante la ejecución de las diversas operaciones de producción, y en la determinación periódica de la composición mineralógica y dispersa del polvo de mina. Los principales métodos para la determinación del contenido del polvo son dos: ponderal o gravimétrico y numérico.
Clima subterráneo En los comienzos de la minería, cuando los trabajos subterráneos no alcanzaban las grandes profundidades de ahora, el clima de las minas tenía un papel reducido. Pero actualmente, teniendo en cuenta que hay minas que trabajan a grandes profundidades (más de 2000 metros), casi todos los países que son grandes productores mineros, se ocupan de este problema. La temperatura del aire, en las labores subterráneas, depende de un gran número de factores, de los cuales los más importantes son: 1. Temperatura del aire exterior. 2. Calentamiento del aire por la compresión, durante el descenso a la mina 3. Temperatura de las rocas y agua calientes. 11
4. Diversos procesos exotérmicos, particularmente de oxidación, y procesos endotérmicos, particularmente de evaporación de agua. 5. Intensidad de la ventilación. 6. Otros factores. Influencia de la temperatura del aire exterior La temperatura que entra en la mina oscila con el tiempo. En verano, entra aire caliente; en invierno, frío. La variación anual de la temperatura del aire exterior depende de las condiciones climáticas de la región. Según Voropaev esta puede ser representada en forma general como una oscilación armónica: T = T0 + ω cos
2π τ Z
T = temperatura de aire exterior en el momento dado, °C T0 = temperatura media del año, °C τ = duración desde comienzo de la onda, cuando la temperatura es igual a: T0 + ω Z = 365 días - período de oscilación En la mayoría de las minas, el aire que entra desde la superficie, en el período frío del año, se calienta hasta +2º para proteger el orificio del pozo de su congelación. Influencia del calor de compresión El calentamiento del aire durante su descenso en las minas se debe a su compresión. La condición de equilibrio del aire que se encuentra únicamente bajo la acción de las fuerzas verticales. Influencia de la temperatura de las roca De la temperatura de las rocas depende cómo se calienta el aire durante su camino por la mina. La temperatura de las rocas de las primeras decenas de metros, según la vertical desde la superficie terrestre, se cambia durante el año en relación con la temperatura del aire en la superficie, y después, al alcanzar la capa neutral de temperatura constante (aproximadamente de 20 – 40 metros en las latitudes medias), queda todo el año igual. A profundidades mayores la temperatura de las rocas sube. El aumento se caracteriza por el grado geotérmico (profundidad en metros correspondiente al aumento de temperatura en un grado). El valor inverso del grado geotérmico es el gradiente geotérmico (temperatura correspondiente al aumento de profundidad por un metro). Influencia de los procesos químicos A éstos pertenecen las oxidaciones de toda clase (carbón, pirita, putrefacción de la madera, etc).
12
Influencia de la evaporación del agua Entre los procesos endotérmicos, que compensan la elevación de la temperatura en los procesos exotérmico de oxidación de carbón, el más importante es la evaporación de agua. Para la evaporación de un gramo de agua cuya temperatura es igual a + 15°, se necesitan 0,589 kcal. Si el calor de evaporación se restan del aire vecino, este se enfría 2°. Pero este tipo de enfriamiento no es deseable de ninguna manera, ya que a consecuencia del aumento de la humedad relativa, las condiciones mineras pueden hacerse insoportable. Influencia de la velocidad del aire La velocidad del aire es también de gran importancia en las condiciones climáticas del interior de la mina. Un obrero no se siente bien en el aire tranquilo, sin movimiento, ya que el calor producido en su cuerpo por el trabajo no se elimina bien desde su piel al medio exterior. Su rendimiento aumenta con el aumento de la velocidad del aire, pero, no en forma lineal, ya que el aumento de velocidad del aire por arriba de 5 m/seg. no tiene influencia practica. Actualmente, en los frentes de arranques profundos con refrigeración, la velocidad del aire es de 2 m/seg. Si embargo el alivio obtenido por el aumento de la velocidad del aire esta, además, limitado por el aumento de temperatura, cuyo límite es la temperatura de la piel. Influencia de otros factores Además de los principales procesos térmicos, las labores mineras reciben calor de una serie de factores, tales como trabajos con explosivos, cañerías de aire comprimido, presión de los terrenos, motores eléctricos, combustión en los diesel, efectos de la respiración, etc. El aumento de temperatura en el frente de arranque se debe a que el carbón arrancado, cuya temperatura depende únicamente del grado geotérmico, pasa sus calorías al aire más fresco. En los frentes de hundimiento, el fenómeno de aumento de la temperatura es todavía más visible que en los frentes con rellenos, por que el aire debe no solamente enfriar el carbono, sino también las rocas derrumbadas. Por fin, en los retornos de aire situados a niveles más elevados, la temperatura disminuye por la descompresión del aire, y también por los terrenos son más fríos. La influencia de las aguas termales es particularmente desfavorable sobre el clima de las minas. El trabajo se torna inaguantable, lo que puede causar su cierre.
VENTILACIÓN DE MINAS Propiedades Físicas del Aire Propiedades físicas del aire El aire de minas, que es una mezcla de gases y de vapor de agua, se acerca a los gases perfectos por sus propiedades físicas.
13
Parámetros básicos del aire Densidad: ρ es la cantidad de masa de aire contenida en unidad de volumen: ρ=
M V
=
G g*V
Donde: G peso (kg) g Aceleración de la gravedad (m/seg2) M Masa (kg.) V Volumen (m3) Peso especifico: es el peso del aire en unidad de volumen. En ventilación de minas se utiliza el peso especifico standard γ 0 = 1,2kg / m 3 que es el peso de 1 m3 de aire, con una presión de 1 atm. a temperatura de 15° y humedad de 60%. G
γ =
V
Volumen Especifico: el volumen v en m3 ocupado por 1kg. De aire a presión y temperaturas dadas. V=
1
γ
Presión: se expresa en atmósferas absolutas o en técnicas. Por una atmósfera absoluta se entiende la presión p0=1,0333 kg/cm2 de una columna de 760 mm. de mercurio a 0° al nivel del mar. Con el cambio de la altura sobre el nivel del mar y de la temperatura, la presión p cambia de la manera siguiente: log p = log p 0 −
a 18 .4 − 0.067 × t
Donde: P0 760 milímetros de Hg, presión a nivel del mar a altura sobre el nivel del mar p presión en la altura a t temperatura media del aire entre el nivel del mar y el punto considerado. Como en la ventilación en minas, las presiones son muy pequeñas, estas se miden en kg/m2 o en milímetros de agua, que numéricamente son iguales. En la técnica para facilitar los cálculos se utiliza la atmósfera técnica o métrica, igual a 1kg/cm2 = 10 m de agua = 737,5 mm de mercurio. Temperatura: Se expresa en grados Celsius. Por temperatura normal en la ventilación de minas se toman 15°. T
14
t + 2 7 3 =
Calor especifico: “c” es la cantidad de calor, en calorías, que se necesita para calentar 1kg. de gas de 0 a 1°. W
G × c =
(t
2
t1 −
)
Para calentar G kg. de gas de la temperatura t1 a t2 se necesitan W calorías. Viscosidad: el la resistencia del aire a los esfuerzos tangenciales. En los cálculos de ventilación, se utiliza el coeficiente cinemática de viscosidad υ m2/seg. Para el aire a t = 15°, υ = 1,44.10 -5. Leyes Básicas para el aire Ley de Boyle: A temperatura constante T, los pesos específicos de gas γ están en razón directa de las presiones absolutas p y en razón inversa de los volúmenes v. γ 1 γ 2
=
p1 p 2
=
v2 v1
Ley de Gay Lussac: A una misma presión, la relación de volumen a temperatura absoluta es constante: V1 V2
=
T1 T2
=
γ 2 γ 1
Otras leyes importantes que mencionaremos son, la ley de Dalton y la ley de los gases perfectos, que no explicaremos ahora. Donde si profundizaremos es en la humedad del aire, un tema importante en la ventilación:
Humedad del Aire: El aire siempre tiene cierta cantidad de agua. Según la ley de Dalton tenemos: Pt = p aire seco + p parcial de vapor La humedad absoluta es el contenido de vapor de agua, en gramos, en 1 metro cúbico de aire. Cuanto mayor es la temperatura del aire, tanto mas vapor de agua puede contener, hasta cierto máximo para cada temperatura. El aire que contiene la cantidad límite del vapor de agua se denomina saturado, y en este caso la presión parcial ps es máxima. La humedad relativa es la relación del contenido de vapor de agua en el aire (en gramos/ m3) con su contenido máximo posible a temperatura dada. La medición de la humedad relativa del aire se realiza con el psicrómetro, higrómetro e hipsómetro. El psicrómetro consta de dos termómetros iguales, fijados a un cuadro, que puede ser girado mediante una manija. El bulbo de uno de los termómetros se envuelve en un trapo húmedo; después de hacerlos girar durante uno o dos minutos, hasta que las indicaciones de los dos termómetros sean constantes, la humedad relativa se determina en base a las diferencias de lectura de los termómetros seco y húmedo. El higrómetro mide la humedad relativa del aire en base al cambio de largo de un pelo desprovisto de grasa, con el cambio del contenido variable de humedad. 15
Medición de la Presión Absoluta: la presión absoluta del aire se mide en las minas y en la superficie, con barómetro aneroide, más rara vez con barógrafo (barómetro registrador). Los barómetros mineros tienen escalas divididas en 0.5 mm. En el intervalo de 600 a 800 mm. de mercurio. Medición de velocidades de Aire: Se utilizan los anemómetros, catatermómetro y aparatos varios. El más conocido es el anemómetro de paletas; donde el aire en movimiento hace girar la rueda con paletas de aluminio; su rotación se transmite al contador de revoluciones y por su intermedio a las agujas indicadoras. Los siguientes gráficos muestran algunos de los aparatos medidores de la velocidad del aire. Velocidades Media y Máxima de la corriente de aire: La velocidad del aire en las minas es muy variable, desde unos pocos centímetros hasta 15 m/seg. La velocidad media del aire en las galerías y pozos es del orden de 1 a 5 m/seg. El aire circula a través de los derrumbes con pequeñas velocidades (pocos centímetros). Grandes velocidades, mayores de 10 m/seg., se encuentran en los canales de ventiladores. Las corrientes gaseosas, al igual que los líquidos, tienen una tendencia marcada a avanzar por filetes paralelos que se mezclan lentamente por difusión. Los contenidos en grisú de estos filetes pueden ser diferentes. De aquí la necesidad de mezclar bien el aire, dando a la corriente la velocidad necesaria. En una sección transversal de una labor minera, la velocidad es máxima Vmax en su centro, disminuyendo hacia los bordes, en forma de fajas más o menos circulares. Entre la velocidad máxima y la velocidad media Vm existe la siguiente relación: Vm = ψ Vmax,
donde ψ = 0,75 – 0,80.
Las reglas de seguridad fijan las velocidades del movimiento del aire en las labores mineras. Al sobrepasar las normas de velocidad del aire en las labores, se debe aumentar su sección o se deben construir labores paralelas.
Medición de la velocidad media y del caudal de aire: La medición de la velocidad media se realiza generalmente por dos métodos: medición “frente al medidor” y medición “en la sección”. En la medición frente al medidor, el técnico se coloca en la labor con la cara hacia la corriente, y teniendo el anemómetro frente a si con la mano tendida, lo mueve regularmente por la sección según el camino que indica la figura. Si la sección tiene hasta 2 metros se introduce una corrección c = 1,14 por la obstrucción del canal. Si es más de 2 metros se usa el otro método. Para la medición en la sección, el técnico se coloca con el dorso hacia la pared de la labor, y desplaza regularmente el anemómetro con la mano tendida por toda la sección, como en el caso anterior. En este s − 0.4 caso, la corrección es c = , donde s es la superficie de la sección transversal. El caudal de aire que s pasa por la sección es: Q
s
=
v med
×
c
. ×
En cada sección se deben hacer 2 a 3 mediciones con el anemómetro.
Movimiento Laminar y Turbulento: El movimiento lento del aire, que se compone de hilos separados que no se mezclan entre sí y se mueven paralelamente, se denomina laminar ; si la velocidad del aire aumenta, los hilos comienzan a mezclarse entre sí, formando torbellinos. Un movimiento así se llama turbulento. El movimiento laminar se presenta en las minas rara vez, por ejemplo, durante el movimiento 16
del aire a través del relleno compacto. En casi todas las labores mineras en que la velocidad del aire sobrepasa algunos centímetros por segundo, su movimiento es turbulento. Además de estos dos casos de movimiento del aire, existe el movimiento intermedio, como aquél del aire a través de los tabiques de madera y piedras. Resistencias de las Labores Mineras al Movimiento del Aire Las resistencias de las labores mineras al movimiento del aire se dividen en tres grupos: o o o
Resistencias de rozamiento del aire contra las paredes de la labor y de las partículas entre sí. Resistencias locales Resistencias Frontales
La diferencia de presión en dos secciones, o la depresión es igual a: h=
β γ L P v 2
=
2gS
α L P v2 S
[ mm H 2 O]ó kg
m 2
Donde:
α= L P S v β γ
β γ 2g
Coeficiente de resistencia aerodinámica Largo de la labor Perímetro de la labor Sección transversal de la labor velocidad del movimiento del aire coeficiente de roce, abstracto peso específico estándar de aire equivalente a 1.2 kg/m3.
Reemplazando en la fórmula anterior v =
Q , donde Q es el caudal, nos queda la fórmula final de la S
depresión en una labor minera. h=
α L P Q2 S
3
= R Q 2 [ mmH 2 O]
Coeficiente de resistencia aerodinámica de las labores mineras hS 3 kg.seg 2 α= m 4 PLQ 2 Para las labores con fortificación de madera o hierro el valor de alfa depende del diámetro del entibiado y de la distancia entre marcos, y en menor grado de la sección transversal. Resistencias locales Son resistencias complementarias que se refieren a un lugar determinado y que producen por cambio de dirección de la corriente, su estrechamiento o ensanchamiento, etc. Ellas se calculan por la formula: 17
h1 =
ξV 2 γ 2g
donde ξ coeficient e de resistencia local
Como las resistencias locales son proporcionales al cuadrado de la velocidad, son importantes cuando la velocidad es grande. Cambios de Dirección Las pérdidas de presión en los cambios de dirección dependen del ángulo de giro, de la forma del empalme y del grado de rugosidad. 1-
Cambios de dirección con las paredes rectas, no redondeadas: 120 100 80 60 40 20 Ángulo de Giro (º) 1.5 0.95 0.55 0.30 0.20 Valor del coeficiente ξ 2.4 2Cambios de dirección con paredes redondeadas. Para diferentes valores de r/b, donde r = es el radio del ángulo interior redondeado y b = ancho de la labor, se pueden admitir los siguientes valores de ξ (ángulo de giro de 90º): 0.75 1.00 1.5 2.0 3.0 4.0 r/b 0.25 0.5 0.30 0.18 0.13 0.10 0.09 0.08 0.075 0.07 ξ Con valores diferentes del recto, se calcula el coeficiente de la resistencia local ξ’ por la fórmula: ξ' = x ξ
Donde x = coeficiente de corrección según tabla. Labores sinuosas: Estas aumentan el valor de alfa: Grado de Sinuosidad Débil Moderado Fuerte 1.9 2.9 4.8 α.104 Al valor de α.104 normal, se agregan los valores arriba indicados, de acuerdo al grado de sinuosidad de la labor. Ensanchamiento Súbito: el valor del coeficiente ξ depende del cociente entre las secciones S1/S2 y de la rugosidad de las paredes:
Resistencia de un Sistema de Labores Mineras y Distribución de Aire Unión en Serie: En este sistema, la corriente de aire se mueve sin ramificaciones. Si no hay pérdidas, el caudal de aire se mantiene constante. La resistencia aerodinámica total R es igual a la suma de las resistencias aerodinámicas de las labores que constituyen el sistema, y la depresión total es igual a la suma de todas las depresiones: 18
R = R 1 + R 2 + ... + R n h = h 1 + h 2 + ... + h n
La abertura total equivalente del sistema de las labores es serie es igual a: 1 A
2
=
1 2 A1
+
1 A2
2
1
+ .......... ... +
An
2
Unión en Paralelo: Las labores se ramifican en un punto en dos o varios circuitos que se unen en otro punto. Ejemplo de una unión en paralelo es la explotación de dos flancos de un manto. Estas uniones se diferencian en sistemas cerrados y abiertos. En estos últimos, los circuitos no se unen entre si en un punto sino que se comunican con la atmósfera y, en consecuencia, tienen igual depresión (atmosférica). La propiedad básica de las corrientes paralelas es la igualdad de depresiones de cada ramal, independientemente de su largo, resistencia y cantidad de aire: h1
h
..........
= = 2
..........
........
h
=
n
Ventilación Natural Nociones Generales: El tiro natural se debe en las minas a la diferencia de peso específico del aire entrante y saliente. Esta diferencia de peso específico proviene principalmente de la diferencia de temperatura del aire, en menor grado de la diferencia de presión, y todavía tiene menor influencia la variación de humedad y composición química del aire. Por ejemplo, en una mina ubicada en relieve montañoso, que se explota por socavones, en el invierno, la columna de aire interior en el pozo AB se calienta debido al calor de las rocas, y se hace más liviana la columna de aire frió CD de la entrada del socavón. Se produce un tiro natural en el sentido CBA. Por el contrario, en el verano, el sentido de la corriente es inverso, el aire sale por el socavón. En primavera y otoño, las temperaturas del aire exterior se igualan con la temperatura del aire interior, y la ventilación natural no se produce. En el verano, en regiones de clima continental, el sentido del movimiento de la corriente de aire puede cambiar del día a la noche. Si la mina esta ubicada en el relieve horizontal, la ventilación natural no existe o es muy débil. El ventilador, aspirando en invierno el aire frío y en verano el caliente, contribuye a la formación de ventilación natural, en verano, en el mismo sentido que el tiro del ventilador, y en invierno en el sentido contrario. La ventilación natural es de gran importancia para la ventilación de minas, particularmente de las profundas. El valor de la depresión natural en las minas grandes puede alcanzar el 50 % y más de la depresión total, y el caudal de aire puede ser de 6000 m3/min. Valores de la depresión Natural Profundidad de la Mina Depresión Natural 400 – 500 metros 25 – 30 milímetros 700 – 800 metros 50 – 60 milímetros 1000 – 1200 metros 100 – 120 milímetros 19
Regulación del Caudal de Aire Al proyectar la ventilación de una mina, la instalación de ventilación solo se elige después del estudio completo de la regulación del caudal de aire. En las minas metalíferas, el régimen de ventilación puede cambiar varias veces al día, según el tipo de trabajo realizado en los frentes de ataque. Regulación del Caudal Total Se realiza: o o o
Mediante el cambio de régimen de trabajo del ventilador. Mediante el valor de resistencia del circuito ventilador Por combinación de los dos anteriores
En las minas metalíferas, la instalación de ventilación consta de dos unidades de tamaños diferentes. El estudio de la regulación del caudal de aire generalmente se hace gráficamente en las coordenadas h – Q sobre las curvas características: del ventilador, de la mina, del edificio sobre el pozo de ventilación, de la instalación de ventilación y del tiro natural. La característica individual del ventilador se da por las firmas constructoras, y puede obtenerse por recalculo partiendo de las características del tipo de ventilador. El caudal de aire producido por el ventilador Qv se compone del caudal necesario para la ventilación de la mina Qm y del caudal aspirado desde la superficie por el edificio del pozo de ventilación Q p: Qv
=
Qm
Q p
+
La resistencia de la mina, determinada por cálculo, se corrige por el valor del tiro natural hn, que se suma o se resta as la depresión de la mina hm, según si ayuda o se opone al trabajo del ventilador. R m =
hm ± hn Q
m
2
La influencia del tiro natural puede tomarse en cuenta por el desplazamiento de la característica de la mina a los largo del eje de ordenadas en el valor de h n. Regulación de la distribución del aire dentro de la mina: Con este fin, se utilizan los siguientes procedimientos: o o
o
mediante puertas de regulación (regulación negativa) mediante disminución de la resistencia de la corriente de cuyo caudal debe ser aumentado (regulación positiva) mediante la instalación de ventiladores auxiliares
Regulación de la cantidad de aire mediante puertas de regulación: La disminución de la cantidad del aire entrante en una labor se realiza por el aumento de su resistencia, mediante la instalación de una puerta con ventanilla. Sean dos corrientes paralelas; con la distribución natural, las corrientes se distribuyen según la formula bien conocida: 20
Q1
R 2
Q2
=
R 1
Si esta relación no nos satisface, y queremos obtener la relación entre los caudales m=
Q'1 Q'2
>
Q1 Q2
colocamos la ventanilla de resistencia Rv en la corriente. Aplicamos la regla de igualdad de depresiones en la unión en paralelo: R 1Q'12 = (R 2 + Rv )Q´2 2 y Rv = R 1(Q´1 / Q´2) 2 − R 2 = R 1m 2 − R 2
Determinamos, ahora, la sección de la ventanilla. Sea un cierto caudal de aire Q m3/seg., que se mueve con una velocidad v1 por una labor de sección S m2, donde esta instalada la puerta con ventanilla de sección s m2. En la ventanilla, la velocidad es V2>V1. Regulación de la cantidad de aire mediante la disminución de la resistencia de la corriente: Este método se llama positivo, porque la cantidad de aire total que entra en la mina aumenta. Si se conocen el caudal del aire de la mina Q, la resistencia de corriente paralela R’1 con la que se quiere aumentar, se puede calcular utilizando la fórmula de unión en paralelo si se fija Q’1: 2
Q R 1' = ' − 1 − R 2 Q 1 La labor se ensancha, o se mejora su coeficiente de rozamiento mediante revestimientos con costeras, hormigón, etc. El método es costoso, necesita lapsos largos para su realización, pero a veces es el único posible. Regulación de la cantidad de aire mediante ventiladores auxiliares: Es el método más frecuente para aumentar el caudal de aire de los circuitos difícilmente ventilables, cuando la instalación de las ventanillas no da el aumento deseado, y se necesita cambiar el ventilador principal. Los ventiladores auxiliares trabajan a través de un tabique, que separa la labor en dos partes, o sin tabique. En este caso, el ventilador tiene un corto conducto impelente. En las minas gaseosas, los ventiladores deben ser instalados preferentemente en los conductos de aire entrante. La creación de circuitos cerrados por los que circula una parte del aire puede conducir a concentraciones peligrosas de gas. También el paro accidental del ventilador puede tener las mismas consecuencias. Su puesta en marcha puede provocar explosión. Con la instalación de ventiladores auxiliares, el caudal de la mina aumenta. La cantidad de aire en el circuito que se refuerza puede ser aumentada mucho más que por la regulación de las ventanillas. Los ventiladores se utilizan, para la redistribución del aire entre los flancos o los mantos, mientras que las ventanillas, para arreglo de detalles dentro de la sección. 21
Pero, el ventilador auxiliar no permite asegurar cualquier régimen dado, sino únicamente regímenes determinados, conjugados para los ventiladores principal y auxiliar.
Pérdidas de Aire Las perdidas de aire durante su recorrido desde el pozo de entrada de aire hasta los frentes de trabajo alcanzan, en ciertas minas, de 70 a 80% del volumen total del aire. Las perdidas de aire influyen perjudicialmente sobre el trabajo normal de las minas; la ventilación empeorara, la producción disminuye, el peligro de concentración de gases explosivos aumenta, se prolonga el tiempo de ventilación después de la pega de barrenos, la energía se gasta inútilmente, etc. Para compensar las inevitables perdidas, el caudal de ventilador principal, obtenido por cálculos se aumenta del 55%. Las pérdidas de aire en las minas se dividen en perdidas locales y distribuidas sobre ciertas distancias. Pérdidas locales de aire: Las pérdidas de aire de los tabiques dependen del material del tabique, de su espesor, del modo de su impermeabilización. Los tabiques de ladrillos, de hormigón y de materiales similares, revocados de ambos lados, son casi impermeables, mientras no han sufrido los efectos de la presión. En lugares sometidos a importantes presiones, se instalan los tabiques de troncos apilados. Los tabiques de madera se instalan únicamente como provisorios. Puertas de ventilación: Para la reducción de pérdidas en las puertas hay que cumplir con las siguientes condiciones: o o o
o o
Construir puertas simples de planchas de madera > 4 cm. y las puertas dobles de 2.5 cm. Empotrar los tabiques de las puertas en roca firme Aislar bien el piso de las puertas; los rieles se hunden hasta sus cabezas en gruesas planchas de madera. Reemplazar cunetas de agua por tubos Vigilar que las puertas se apliquen bien al marco
Cruces: Se construyen para la separación de las corrientes de aire que se cruzan, las pérdidas de aire son importantes. Pérdidas de aire a través del espacio explotado: Una serie de factores influyen sobre estas pérdidas: potencia y ángulo de inclinación de la explotación, método de explotación y velocidad de avance de los trabajos.
Ventilación de Labores Preparatorias La ventilación de labores preparatorias y topes ciegos no recorridos por la corriente principal consiste en conducir por la labor una cantidad relativamente pequeña de aire a distancias de pocos metros y a veces de centenares de metros. En la práctica minera se usan diferentes métodos como el de difusión que no es muy usado por ser muy lento, la utilización de depresiones producidas por ventiladores principales o ventilación natural, también mediante ventiladores secundarios o con aire comprimido. Pero de todos estos métodos anteriores el más usado es mediante el uso de ventiladores secundarios y aire comprimido. 22
Ventilación Impelente: En el método impelente, el aire fresco se empuja por el ventilador principal por medio de la cañería de ventilación, en la zona cercana al tope, y el aire viciado sale por la labor misma. El ventilador se coloca en una labor atravesada por una corriente directa, a no menos de 10 metros de la labor ventilada, para que el aire viciado saliente de la labor no entre de nuevo al ventilador. Ventilación Aspirante: El ventilador trabaja por aspiración y el aire entra por el extremo abierto de la cañería. Pero la zona de acción del orificio aspirante se propaga a una distancia pequeña del extremo de la cañería.
Proyectos de Ventilación de Minas El proyecto de ventilación de una mina está ligado con el proyecto de acceso y de explotación de una mina. El contenido del proyecto de ventilación consta de: o
o o o o o
Elección del esquema de ventilación y del lugar de la instalación del ventilador, elección del método de ventilación (aspirante o inhelente) Cálculo del volumen de aire necesario para la ventilación de la mina. Distribución del aire por los mantos, secciones y lugares de trabajo Cálculo de la depresión total del ventilador Elección del ventilador principal Cálculo del costo de ventilación
Cálculo del caudal de aire necesario para la ventilación: Las tareas de ventilación son las siguientes: o o o o
aprovisionamiento de los trabajo con suficiente cantidad de aire limpio dilución por aire y eliminación de las labores subterráneas de diversos gases explosivos y tóxicos. Disminución de la concentración y eliminación de polvo suspendido en el aire Disminución de la temperatura del aire en las minas profundas y húmedas
Diferentes factores de cálculo: se tienen en cuenta diferentes factores a la hora de calcular el caudal de aire para la ventilación: o o o o o o
Cálculo del caudal según el desprendimiento del grisú Cálculo del caudal según la producción Cálculo del caudal según obreros Cálculo del caudal según consumo de explosivos Cálculo del caudal según el método de explotación Cálculo del caudal según el polvo
Control del estado de la Ventilación de Minas Debido al cambio constante de la composición del aire de minas, variación en el contenido del grisú, de gases, de gases tóxicos, etc., así como del cambio de las resistencias de las labores mineras, cuyas
23
secciones transversales con el tiempo disminuyen y cuyo largo varia continuamente y, por fin, del valor y a veces del sentido de la ventilación natural: se necesita un control sistemático de la distribución del aire. Control del caudal del aire: La medición de la velocidad y del caudal del aire que entra en la mina y pasa por todas las labores tiene por fin: el control de la velocidades del aire, que deben satisfacer a las normas de velocidades máxima y mínima; el control de la distribución del aire dentro de la mina y la verificación de las normas de caudales de aire por obrero y tonelada diaria de producción; la determinación de las perdidas y de cortocircuitos del aire y el estudio del régimen de ventilador. Primeramente se determina el caudal de aire que entra en la mina, en una labor de unión con el pozo de entrada. También se mide la cantidad del aire saliente de la mina en el nivel de ventilación, cerca de su unión con el pozo de ventilación. El resultado de la medición en la parte superior de un pozo puede ser mayor que el resultado de la medición en la parte inferior, debido a los cortocircuitos de aire desde la superficie, así como por la disminución de su peso especifico. El caudal del aire, que pasa por el ventilado Qv, puede ser medido en el canal del ventilador, en la salido del ventilador y en la salido del difusor. Las mediciones de la velocidad del aire para la determinación de su caudal deben realizarse en estaciones de medición, que se instalan en trechos rectos de las labores, alejados de las curvas y de puertas de ventilación. La distribución de estas estaciones debe ser tal que permita la medición del caudal de aire: entrante y saliente de la mina; entrante, en los circuitos principales de ventilación, y salientes de estos; y del que alcanza los frentes de arranque. Los caudales debes ser reducidos a p0 y T0 normales Qr = Q
pT0 p o T
[m
3
]
/ seg .
El aumento del caudal saliente de la mina con respecto al caudal entrante se debe al importante gasto del aire comprimido de la mina. Al efectuar la medición del caudal del aire, es necesario medir la temperatura del aire y, si es posible, la presión barométrica. Control de la composición del aire de minas: este se realiza mediante el análisis químico de muestras de aire en el laboratorio, o directamente en la mina mediante aparatos especiales. Se usan dos métodos de toma de muestras de aire: seco o húmedo. El método húmedo consiste en el reemplazo de agua saliente del recipiente (bureta) por aire. En el método seco, el aire por analizar se bombea mediante una bomba a mano en un frasco seco con tapa con dos tubos. Tareas del servicio de ventilación: la obligación básica del personal de ventilación consiste en proveer a las minas con un caudal de aire conforme con las exigencias de la producción y los reglamentos de seguridad. Planos de ventilación: los planos de ventilación se preparan en base a los planos topográficos de las labores mineras, para cada nivel por separado. Sobre estos se colocan los caudales y la dirección de movimiento del aire y la posición de todas las construcciones de ventilación.
VENTILADORES Ventiladores centrífugos 24
Los ventiladores se dividen en dos grandes grupos: ventiladores centrífugos y ventiladores axiales. Los ventiladores centrífugos constan de una rueda con alabes 1, y la caja espiral2. El aire entre en estos ventiladores a lo largo del eje por el canal de aspiración 3 en la rueda del ventilador, gira en 90°; al mismo tiempo, se le comunica una rotación en el sentido de la revolución de la rueda. En el movimiento siguiente, el aire pasa por los alabes, sale por el amortiguador 4, de este pasa a la caja espiral y, por fin, por el difusor 5 al aire exterior. EL amortiguador, la caja espiral y el difusor sirven para reducir la alta velocidad del aire saliente de a rueda, y así disminuir las perdidas por choque de aire. Los ventiladores centrífugos se construyen con entrada de aire por uno o por dos lados. Los elementos esenciales de un ventilador axial son: la rueda con paletas 1, colocada en la parte cilíndrica dentro de un conducto 2 divergente hacia sus extremos (colector 3 y difusor 4), aparato director 5 y aparato rectificador 6. El aire, en los ventiladores axiales, se mueve aproximadamente a lo largo del eje del ventilador. El sistema director y rectificador que consta de paletas fijas tienen por fin desviar el flujo entrante en la rueda y después destornillarlo a su salida del ventilador, aumentando con esto el rendimiento del ventilador. Cada ventilador puede trabajar como aspirante o como impelente. Por su utilización, los ventiladores se dividen en: 1Ventiladores principales que aprovisionan con aire las minas enteras 2Ventiladores seccionales que emplean para aumentar el volumen del aire de las corrientes separadas. 3Ventiladores auxiliares que ventilan topes ciegos mediante canales.
25
26
Potencia del ventilador: La potencia útil del ventilador, o su potencia descontadas las perdidas, se expresa por el producto del caudal Q m3/seg. Por el peso del aire γ Kg./m3 y por la altura de impulsión total H, m de aire: Qγ H t Q∆Pt [ kw ] = 102 102 Q∆Pt [ cv] N t = 75 La potencia utilizada por el ventilador, o potencia sobre el eje Z, es siempre mayor que la potencia útil N, debido a las pérdidas hidráulicas, volumétricas y mecánicas, designadas en conjunto por el rendimiento η; así que la potencia del ventilador es: N t =
Q∆P [ kw ] 102η Q∆P [ cv] N = 75η Ventiladores axiales: El fundamento del trabajo de un ventilador axial se asemeja al principio de acción de un par (tornillo y tuerca). La función del tornillo lo tiene la rueda del ventilador, y el de la tuerca; la corriente de aire. Al girar la rueda, el aire se desplaza a lo largo del eje del ventilador. La corriente del aire que sale de la rueda está desviada, o sea, tiene movimiento de avance y de rotación. Teniendo en cuenta de que las líneas de la corriente, en un ventilador axial, se distribuyen sobre las superficies cilíndricas, es conveniente comenzar con el estudio del desarrollo de la sección sobre un plano. La rueda móvil y el aparato director (denominado también corona directriz) se representan acá en forma de enrejado de un largo infinito. N =
Aquí t (distancia entre los perfiles = 2 π r z ); z (número de paletas de la rueda); l (ancho de la paleta). Cada sección cilíndrica tiene un aspecto diferente; la densidad del enrejado es mayor cerca del cubo que en el radio exterior de la rueda. Las secciones de las paletas de radios diferentes se diferencian por el ancho, forma y ángulo de calaje; la velocidad tangencial cambia también a lo largo del radio. Por estas 27
razones, es conveniente estudiar los enrejados correspondientes a semi-radio 4. Las características del flujo, a lo largo del enrejado plano, presentan la base para el cálculo de ventiladores axiales.
Comparación entre los ventiladores centrífugos y axiales para la ventilación principal: Los ventiladores centrífugos, comparados con los ventiladores axiales, tienen los siguientes inconvenientes: 1- El rendimiento de los ventiladores centrífugos es algo inferior al rendimiento de los ventiladores axiales. 2- La curva de potencia de los ventiladores centrífugos más usados, referida al caudal, es ascendente, de aquí la posibilidad de sobrecargar al motor con el aumento del gasto, mientras que la curva de los ventiladores axiales es casi plana. 3- La regulación menos perfecta de los ventiladores centrífugos, mediante compuertas, y por cambio del numero de revoluciones; el aparato director permite una regulación de la presión y del caudal del orden de 40%. Los ventiladores centrífugos son sensibles a las variaciones de la abertura equivalente. En los ventiladores axiales, la regulación fina y económica se realiza mediante la rotación de las paletas de la rueda móvil y de la corona directriz. El campo de regulación de la presión es mayor en los ventiladores axiales que en los ventiladores centrífugos. 4- La necesidad de la construcción, para los ventiladores centrífugos, de los canales de desviación para la inversión de la corriente, que no existen en los ventiladores axiales sin la corona directriz. 5- El tamaño y el peso de los ventiladores centrífugos es mucho mayor del tamaño y peso de los ventiladores axiales, ya que en los ventiladores axiales el diámetro del rotor equivale a la abertura de aspiración de un ventilador centrífugo. Al mismo tiempo, la velocidad de los ventiladores axiales abarata la máquina de accionamiento, que puede estar directamente acoplada. Por esto, los ventiladores centrífugos se utilizan actualmente como ventiladores principales únicamente en el campo de las presiones 450 a 550 Kg./m2, ya que para estas condiciones se necesita un ventilador axial de 4 saltos, cuyo tamaño y peso se acerca al ventilador centrífugo.
28
ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE SUBTERRÁNEO Ventilación de minas profundas Las minas profundas se caracterizan con respecto a la ventilación por: aumento del desprendimiento de gases, mayor contaminación del aire, aumento de la temperatura de las rocas y, en consecuencia, de la temperatura del aire, disminución de la abertura equivalente, predominantemente por cuenta del aumento de la resistencia de los pozos profundos. Las medidas técnicas para la ventilación de estas minas son: o o
o
o o o
o o
El aumento del caudal del aire entrante en la mina La necesidad de conducir a los lugares de trabajo el aire fresco y seco por las galerías más rápidas y evacuar el aire viciado los más pronto posibles, ha obligado a abandonar, en las grandes profundidades, la practica de la ventilación central y adoptar la ventilación diagonal. El empleo de la ventilación diagonal ocasiona directamente una ganancia sobre la sección de las galerías; con este método no hay que temer cortocircuitos, ni pérdidas de aire fresco. Por el contrario, la ventilación diagonal impone importantes gastos suplementarios para la instalación de pozos de retorno de aire. De acuerdo con los viejos principios de la ventilación, las instalaciones que disminuyen el calor y la humedad, como los motores de aire comprimido, deben colocarse en las entradas de aire, y las instalaciones que aumentan el calor y la humedad absoluta, como los aparatos eléctricos, deben colocarse en los retornos de aire. Reemplazo de la energía eléctrica por la neumática. Enfriamiento y desecamiento del aire comprimido antes de su introducción en la mina. Para la iluminación eléctrica de las galerías de entrada de aire no se deben utilizar lámparas de incandescencia, sino lámparas de luz “fría”. Refrigeración artificial del aire. Evitar la formación de polvo mediante el empleo moderado de agua, para conservar el aire tan seco como sea posible.
Estándares de la calidad del aire La Ley 24.585 “Ley de protección ambiental para la actividad minera” establece, para el material particulado (fracción respirable), el nivel de guía de calidad de aire en 150 µg/m3 medido en un período de 24 hs y 50 µg/m3 en un período de exposición de 1 hora. Se han establecido valores de referencia para los niveles de inmisión de cada contaminante. Mientras no superen, se puede que la calidad del aire es buena. Niveles Guías De Calidad De Aire
CONTAMINANTE CO SO2 29
µg/m3 40
PERIODO DE TIEMPO 1 hora
10 850
8 horas 1 hora
