Ventilación en minas de carbón.
Uno de los primeros problemas a los que se enfrentan los mineros al extraer carbón son los peligros del gas que se produce al sustraer carbón. La ventilación en las minas subterráneas de carbón es por lo tanto una operación necesaria e importante para la seguridad de los mineros y las instalaciones. La ventilación tiene dos propósitos: 1. Mantiene la vida de quienes laboran en ella. 2. Lleva al exterior gases peligrosos como el metano. Historia general de la minería Carbonífera.
En los albores de la minería, ésta se daba solo en zonas superficiales, donde estaban disponibles la luz y ventilación natural, las fogatas eran utilizadas para introducir aire fresco dentro de las minas y solo existía urgencia de sacar el humo caliente fuera de esta. Antes de que el carbón fuese minado en Norteamérica, las minas en Europa ya eran diseñadas con entradas duales; una destinada a la entrada del aire limpio, la otra para su expulsión, una vez usado, con presencia de polvo y gases. En un principio se utilizaron hornos subterráneos, los cuales por medio del fuego calentaban el aire, mejorando la ventilación natural de la mina, el problema es que se acumulaban muchos gases explosivos dentro de la mina. La presencia del gas es siempre apuro en una mina. El gas de metano ó el gas del pantano (conocido también por los mineros como el bao del diablo), en concentraciones de 1.25 % o más, puede causar una explosión subterránea de gran alcance; especialmente si es acompañado por una alta concentración del polvo de carbón. Otros gases a menudo presentes en una mina de carbón son el monóxido de carbono y sulfuro del hidrógeno. La presencia de estos gases hizo necesario que la ventilación apropiada esté asegurada en instalaciones subterráneas. Cabe hacer notar que las concentraciones de gas metano cerradas son altamente explosivas al contacto del oxígeno por lo que la ventilación se debe dar de forma precisa y controlada. En un principio se utilizaron canarios para detectar la presencia de gas en la mina, si el canario moría los mineros abandonarían la instalación, antes de 1870 se utilizaron rusticas lámparas de seguridad que pronto fueron reemplazadas por lámparas de petróleo e iniciaron el rocío de paredes con caliza, evitando así la ignición de carbón en túneles.
Pronto, los ventiladores fueron utilizados para extraer fuera de la mina el gas contenido en los lugares de trabajo y transportado en corrientes de aire principales al exterior. Las puertas de las trampas de succión fueron colocadas estratégicamente como parte del sistema de ventilación para dirigir el flujo del aire a o desde áreas seleccionadas, sin embargo al fijar las trampas de succión situadas en las puertas más ocupadas que se abrían para permitir el paso del carbón, de los materiales y de los hombres, las “corrientes del aire” fueron cortadas con frecuencia a través del carbón y de la roca, provocando accidentes. En los años 20 los ventiladores antiguos fueron sustituidos por los ventiladores pequeños eléctricos de turbina. Los ventiladores grandes del tipo de la succión fueron colocados en la superficie y aumentados gradualmente de tamaño con el paso del tiempo. El aire de los compresores superficiales fue transportado mediante tubos en la mina a la maquinaria que provee de energía y ayuda en el proceso de ventilación. Dentro de las minas carboníferas se pueden encontrar diversos gases producidos por la extracción del mineral y entre los más importantes encontramos: Oxígeno: No tiene color, sabor u olor, sus efectos al 21% cualquier fuente de ignición puede encenderlo, al 15% la respiración comienza a ser difícil, al 10% se considera muy perjudicial para la salud. Dióxido de Carbono: Es incoloro e inodoro, es producto de la combustión, puede causar sofocación y la muerte, sus efectos al 3% son dificultad para respirar y al 10% puede causar la muerte. Monóxido de Carbono: Muy poco color y olor, es producto de una combustión incompleta, su efecto al 0.05% es riesgoso para quien lo respira. Metano: Muy poco color y olor y altamente inflamable, se vuelve explosivo al contacto con el aire. Sulfato de Hidrogeno: Tiene un olor desagradable y sus efectos al 15% son fatales para la vida. Hidrogeno: Es explosivo al mezclarlo con el aire. Dióxido de Nitrógeno: Tiene la característica de poseer un color rojizo. El Carbón
El carbón es un combustible sólido de origen vegetal, en eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación muy abundante que crecía en pantanos. Muchas de estas plantas eran
tipos de helechos, algunos de ellos tan grandes como árboles. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se descomponían poco a poco. A medida que se producía esa descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un ele vado porcentaje de carbono. Así se formaron los depósitos, con el paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron acumulándose sobre algunos de estos pantanos. La presión de las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar el carbón que hoy se extrae de las minas. Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo en: Turba: Constituye la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. Lignito: El carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. Carbón Bituminoso: Tiene un contenido aún mayor que el lignito, por lo que su poder calorífico también es superior. Antracita: Es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. Grafito: Se forma por la presión y el calor adicionales sobre el carbón, el grafito es prácticamente carbono puro. Ventilación en minas de carbón.
Cuando el carbón se encuentra a grandes profundidades es preciso cavar pozos hasta llegar a la veta, luego se forma una galería para extraerlo; para ventilar este tipo de explotación se utiliza un método que consiste en comunicar entre sí estos pozos para que los gases que emana el carbón salgan al exterior y no se produzcan explosiones. Para evitar que la mina se hunda se le pone pilares en cada capa y cuando ya se ha terminado la extracción completa de la veta se provoca el derrumbe de la mina. Para transportar el material se hace por medio de vagonetas en las instalaciones y si la explotación minera está más modernizada se hace por medio de cintas transportadoras y elevadores. El carbón por su naturaleza siempre sale con materiales que dificultan su utilización y disminuye su calidad con respecto al poder calorífico del mismo. Para limpiarlo se utilizan medios físicos como la trituración y el lavado. Las minas subterráneas se abren en zonas con yacimientos minerales prometedores. El pozo es la perforación vertical principal empleado para el acceso de las personas a la mina y para sacar el mineral. Un sistema de ventilación situado cerca del pozo principal
lleva aire fresco a los mineros y evita la acumulación de gases peligrosos como el metano, además un sistema de galerías transversales conecta el yacimiento de mineral con el pozo principal a varios niveles, que a su vez están conectados por aberturas llamadas alzamientos. Las gradas son las cámaras donde se extrae el mineral (Figura 1).
Para la correcta ventilación se instalan sistemas de ventilación capaces de mantener un porcentaje mínimo de gas inflamable (grisú) a niveles que no sea posible dicha inflamación. Aunado a los sistemas de ventilación correcta el personal y el equipo deben de contar con equipos certificados para garantizar la seguridad en sus tareas y así mismo tener el material necesario y equipos de salvamento siempre disponibles. Para producir con seguridad el carbón, el ambiente gaseoso de las minas subterráneas se ve en la necesidad de recircular grandes cantidades de aire para diluir las peligrosas concentraciones de gas metano derivado de la extracción del carbón. Típicamente, las minas carboníferas necesitan guardar niveles de funcionamiento debajo de un 1 % de concentración de gas metano. Una de las tecnologías más robustas para la ventilación y extracción del gas metano de las minas carboníferas, son las turbinas de flujo reversible (Figura 2) que pueden capturar hasta 100 por ciento del metano extraído y e l calor producido de la extracción puede ser utilizado localmente para procesos de calefacción en regiones de temperaturas muy bajas, tal es el caso de las minas situadas en regiones extremadamente frías. Estas tecnologías de ventilación y de extracción emplean el principio del intercambio de calor regenerativo entre un gas y una pared sólida del medio de intercambio de calor.
El gas metano extraído por el sistema de ventilación de las minas carboníferas puede también ser utilizado como aire de combustión para la energía de proyectos dentro de las instalaciones. Este uso está técnica y comercialmente probado en algunas modernas instalaciones mineras, por desgracia la mayor parte del gas extraído de las minas de carbón es expulsado al medio ambiente. Los principales tipos de ventiladores usados en las minas de carbón son los de tipo axial, deben ser ajustables, controlables y su diseño debe ajustarse completamente al volumen de aire que requiera controlarse. Para los cálculos comunes de la ventilación, los procedimientos asumen que el aire es un líquido incompresible que contesta a la ecuación de D’Arcy. Las fórmulas y los cálculos, basados en los trabajos de investigación realizados por Atkinson y McElroy, emplean los “factores empíricos de la fricción” que no toman completamente en cuenta las variaciones en la presión, la temperatura, la evaporación y la condensación, etc. En la mayoría de los casos, los procedimientos simplificados rinden resultados satisfactorios; sin embargo, cuando el aire de mina se debe circular sobre una distancia vertical significativa, o cuando el aire se requiere para refrescar el ambiente viciado de las galerías de extracción, un análisis más sofisticado es generalmente necesario. Incluso cuando se utilizan las fórmulas simplificadas, los cálculos requeridos para analizar la red de vías aéreas a construir o la mina propuesta son inadecuados. En climas templados, el calor resultante del aire extraído de la ventilación puede tener que ser calentado durante los meses del invierno para proporcionar comodidad a los mineros y para evitar la congelación de los equipos.
Las minas calientes en climas templados o tropicales requieren típicamente el aire fresco. Las minas subterráneas profundas encuentran siempre temperaturas más calientes de la roca y el aire es calentado naturalmente por presión mientras que viaja hacia abajo. El enfriamiento por medio del aire de la ventilación solamente, puede llegar a ser inadecuado. El enfriamiento más eficiente es obtenido enfriando y agregando hielo al agua obtenida durante el proceso y recirculándola al subterráneo. Para minas de carbón el Reglamento de Seguridad Minera indica las siguientes normas respecto a los sistemas de ventilación: Artículo 272 Los “portales” de inyección de aire fresco a una mina de carbón,
deben estar ubicados de tal manera que no haya posibilidad alguna de ser afectados por derrumbes y obstrucciones, o que las corrientes de aire puedan ser afectadas por la aspiración de polvo de carbón o humo en casos de incendio.
Artículo 273 Las minas, sectores y frentes de explotación de carbón, deberán
disponer de dos galerías de ventilación. Por una de estas vías se introducirá el aire fresco requerido y por la otra se extraerá el aire viciado. Estas vías que se denominaran principal y revuelta, respectivamente, deberán ser mantenidas en buenas condiciones para que puedan cumplir con su objetivo. Dichas galerías podrán servir, además, como eventuales salidas de emergencia. Artículo 274 No serán considerados lugares aptos para la presencia de personas, los
frentes de trabajo, vías de acceso o de comunicación, si el aire contiene más de un dos por ciento (2%) de metano, en los frentes de arranque y mas de un cero coma setenta y cinco por ciento (0,75%) de metano en las galerías de retorno general del aire de la mina.
Artículo 275 Los ventiladores principales de la mina, se instalaran en lugares a
prueba de fuego y deben disponerse de forma tal que pueda invertirse la ventilación si fuese necesario. Esta inversión de la ventilación solo podrá ser autorizada por la Administración de la faena. En caso de paralización imprevista de los ventiladores principales, el personal deberá ser evacuado de los frentes, hacia lugares ventilados, o a la superficie si es necesario, según las condiciones ambientales existentes. Artículo 276 Los reguladores de ventilación no deben ubicarse en galerías de
acceso o de transporte. Los ductos de ventilación y los ventiladores, deberán estar conectados a tierra.
Artículo 277 Las puertas principales de ventilación y sus marcos, deben ser
construidas de materiales incombustibles o resistentes al fuego y empotrados en la galería. Tales puertas, serán dobles cuando constituyan la única separación entre los flujos de aire principal de entrada y de retorno de la mina. Deben instalarse convenientemente espaciadas para que durante su utilización, como el paso de personas y/o materiales, a lo menos una de ellas permanezca cerrada. En todo lugar en que las puertas de ventilación deban abrirse frecuentemente, deberán contar con un dispositivo de manera que su cierre sea automático. Artículo 278 En las minas en que se haya comprobado la presencia de gases
explosivos, estará prohibido ventilar los “frentes” de explotación por medio de una corriente de aire descendente. En las faenas de la minería del carbón se deberá contar con un barómetro ubicado en un sitio apropiado en superficie, a fin de conocer la tendencia de la concentración de metano en el interior, cuando la presión barométrica desciende. Artículo 279 En toda faena carbonífera subterránea, deberán efectuarse
mediciones del contenido de metano (CH4), por lo menos cada treinta (30) minutos en el flujo de ventilación y en los frentes de trabajo. Este control será efectuado por personal calificado y autorizado, consignando por escrito en libretas especiales o en otro medio adecuado, los valores obtenidos. Cada vez que ocurra una acumulación de grisú, de cualquier valor que ella sea, deben adoptarse medidas inmediatas para desalojar el gas y medidas especiales para normalizar la ventilación, todo lo cual se registrara en el libro de novedades del turno.
Es inevitable que en las minas de carbón pudieran producirse eventuales incendios si no se toman las medidas de ventilación y de seguridad necesarias. Las investigaciones de las causas de los incendios y explosiones en minas de carbón, hacen hincapié en el hecho de que hay que adoptar medidas preventivas para: • Evitar las acumulaciones de gases. • Reducir la formación de polvo en sus fuentes. • Convertir el polvo en materia no explosiva. • Eliminar las fuentes de ignición del gas.
Medidas Preventivas: • Se prohíbe estrictamente introducir a las minas de carbón, fósforos, encendedores, lámparas de llama descubierta y cualquier otro objeto u artefacto que pueda provocar un incendio o explosión. • El apilamiento de carbón, no deberá exceder los cuatro (4) metros de alt ura, a menos que se disponga de un sistema de compactación y de prevención de incendios diseñado para tal efecto. • Se deberá hacer un muestreo periódico (como máximo cada 6 meses), para investigar la calidad y cantidad de polvo que se acumule o se produce en las vías de acceso a los frentes, en las galerías de revuelta de ventilación y en los lugares de trabajo en que Gobierno de Chile Servicio Nacional de Geología y Minería Todos los derechos reservados exista riesgo de incendio o explosión. A solicitud expresa del Servicio, dichos muestreos deberán hacerse en el momento que se estime necesario, y sus resultados se anotarán en un registro creado para tales fines. • Se deberán construir “barreras de polvo” incombustible a una distancia máxima de 100 metros de los frentes de explotación, especialmente en la Maestra Revuelta, donde se deberán colocar barreras de polvo adicionales cada cierto intervalo. Si se usan barreras de agua, también éstas deberán ubicarse a la referida distancia del frente. • En las minas en que se haya manifestado la presencia de gas grisú, la cantidad de polvo incombustible que debe agregarse será aumentada de diez (10) en diez por ciento (10%) por cada uno por ciento (1%) de gas existente en el sector a tratarse. • En las faenas de carbón se deberá cuidadosamente inspeccionar la presencia de gas metano a lo menos cada media hora, y llevar registro de lo controlado. • Los explosivos usados en minas de carbón subterráneas deberán ser autorizados y fabricados para tal efecto (permisibles). • Se deberá mantener un flujo de ventilación que llegue a todos los lugares de la mina (activos e inactivos), con un volumen suficiente para diluir y arrastrar cualquier gas inflamable o nocivo, y para mantener una buena calidad del aire en el ambiente. • Después de una paralización prolongada de una mina de carbón, deberá ser exhaustivamente inspeccionada por el Responsable de la Faena, antes que se permita la entrada del personal.
• En toda labor donde se acumule polvo de carbón en sus paredes, se deberá retirar dicho polvo y rociar con polvo inerte. • Los carros usados para la extracción y movimiento del carbón dentro de la mina deberán ser tan herméticos como sea posible, y se cargarán de manera de evitar que el carbón o polvo caiga de ellos mientras están en tránsito. • Se deberá contar con dispositivos apropiados para humectar y/o recolectar el polvo de carbón en los puntos de traspaso, como aquellos donde el carbón cambia de medio de transporte. • En los diversos métodos de explotación, si no es posible arrancar la totalidad del carbón, los macizos dejados atrás deberán ser aislados por medio de relleno incombustible o por otro sistema equivalente.
