Ventilación de Minas Subterráneas

Profesor Raúl Castro

Semestre primavera 2007

Contenidos

Historia y propósito de la ventilación de minas

Demanda de ventilación

Introducción

Ventilación de minas

El control de la atmósfera en una mina es el aspecto más vital de la operación ya que influye en la: Salud de las personas Productividad por condiciones atmosféricas mas confortables para el

trabajo humano

La ventilación de minas es la herramienta más versátil de control atmosférico

Es la aplicación de los principios de la mecánica de fluidos al flujo de aire en excavaciones subterráneas

Acondicionamiento total del aire en minas

Control de calidad Control de gases Control de polvo

Control de cantidad Ventilación Ventilación a la frente o auxiliar

Control de humedad y temperatura Enfriar/ calentar aire Humidificación/de humidificación

Principios de la ingeniería de control

1. Prevención: modificar operaciones o mejorar practica Reducir formación de gases o polvo

2. Remover o eliminar Limpiar labores Depuración del aire con colectores de polvo

3. Suprimir o absorber (con agua) Infusión con agua o vapor previo al arranque (polvo) Apaciguamiento con rociado de agua o espuma Tratamiento de polvo asentado con productos químicos delicuescentes

4. Contener o aislar (encerrar la fuente) Tronadura aislada o con personal afuera Encerramiento de operaciones generadoras de polvo Sistema de aireamiento local

5. Diluir o reducir Dilución local por ventilación auxiliar Dilución por corriente de la ventilación principal

Cualquier esfuerzo en controlar las materias particuladas antes que lleguen a ser suspensiones áreas es mas económico y simple tanto en superficie como en interior mina.

Composición del aire

COMPOSICION DEL AIRE SECO

GAS % en volumen % en peso

Nitrógeno - N2 78,09 75,53

Oxígeno - O2 20,95 23,14

Anh. Carbónico - CO2 0,03 0,046

Argón y otros 0,93 1,284

Respiración humana

INHALACION DE OXIGENO Y AIRE EN LA RESPIRACION HUMANA

ACTIVIDADREPOSO MODERADA MUY VIGOROSA

Ritmo respiratorio por minuto, 12 - 1 30 40

Aire inhalado por respiración m3/seg. x 103, 5 - 13 46 - 59 98

Oxígeno consumido en

m3/seg. x 10-6, 4,70 33,04 47,20

Cuociente respiratorio "CR",0,75 0,90 1,00

2

2

exhalado

consumido

COCR

O

Efectos de falta de OxigenoEFECTOS DE LA DEFICIENCIA DE OXIGENO.

Contenido de Oxígeno

Efectos

17 % Respiración rápida y profunda. Equivale a 2.500 m.s.n.m.

15 % Vértigo, vahido, zumbido en oídos, aceleración latidos.

13 % Pérdida de conocimiento en exposición prolongada.

9 % Desmayo e inconsciencia.

7 % Peligro de muerte. Equivale a 8.800 m.s.n.m.

6 % Movimientos convulsivos, muerte.

Gas inodoro, sin color, sin sabor, no toxico, fundamental para la vida.

-19% concentración mínima en el ambiente.

-Norma en edificios= 10-30 cfm/hombre (0,56 m3/min/hombre)

-Norma minera : 3 m3/min por hombre

Concentración de Gases

Cada gas tóxico o explosivo (grisú) tiene una Concentración Ambiental Máxima Permitida (CAMP) a una exposición de 8 horas.

En Chile la legislación establece para los gases un Límite Permisible Ponderado (LPP) y un Límite Permisible Absoluto (LPA)

LPP: Para exposición típica jornadas de 8 horas continuadas y 48 horas/semana

LPA: Límite que no puede excederse en ningún momento Si no está indicado por ley, LPA = 5 x LPP

CAMP Legislación Chilena (D.S. Nº72 y D.S. Nº745)

GAS FUENTE EFECTO LPP ppm (mgr /

m3)

LPA ppm (mgr /

m3)

Monóxido de Carbono (CO) Incoloro, insípido y sin olor

Tronadura, Combustión incompleta, Escape motores

Venenoso Desplaza hemoglobina

40 (46) 458

Anhídrido Carbónico (CO2) Incoloro, sabor ácido y sin olor

Descomposición orgánica, Tronadura, cualquier combustion

Sofocamiento, Aceleración respiratoria

4000 (7.200) 54.000

Anhídrido Sulfuroso (SO2) Incoloro, Irritante, olor sulfuroso fuerte

Tronadura Ataca (H2SO4) mucosas de ojos, nariz y garganta.

1,6 (4) 13

Ácido Sulfhídrico (H2S) Incoloro, Dulce, olor a huevos podridos

Tronadura, descomposición orgánica y de minerales

Muy Venenoso Irrita mucosas y ataca el sistema nervioso

20 (25) 21

Óxidos de Nitrógeno (NxOy) (NO2) Rojizo, insípido y sin olor

Tronadura ANFO y Combustión Diesel

Ataca (HNO3) tejidos pulmonares, puede tener efecto retardado

25 -

Metano( CH4)) Incoloro, insípido y sin olor

Natural de yacimientos de Carbón

Sofocante, Explosivo 10.000 (1%) 10.000 (1%)

Fuentes de emisión de gases

Gases de Estratos: se produce por migraciones de gases debido a la minería. (CH4, dióxido de carbono, nitrógeno, SO2, H2S): El metano es el mas “popular” en minería del carbón. Este se

mobiliza entre los estratos por cambios en la presión existente por la minería. Rango explosivo 5-15%

Los gases de estratos no solo se relacionan a sedimentos tambien a roca ígnea

Gases de Tronadura (CO, CO2, NO, H2S) Maquinas de combustión interna: pueden emanar hasta 0,28 m3/HP

de contaminantes Fuegos y explosiones (CO, CO2,CH4) Respiración humana (CO2) aprox 0,1 cfm/hombre Baterías (genera H)

Corrección de LPP A mayor altura menos oxigeno disponible

y por lo tanto se respira con más profundidad

Por Altura (Sólo si H > 1000 m.s.n.m) :

LPP’ = LPP x P (H) (mm de Hg) / 760

Por mayor Exposición (Sólo si Js > 48 hrs/semana):LPP’’ = LPP x (48/Hs) x (168-Hs)/120

Hs = Jornada Hrs / Semana

Material Particulado

Partículas peligrosas de polvo respirable, están entre 1 y 10 micrones. Menores no se depositan y mayores se capturan en filtros naturales del cuerpo.

Partículas se depositan en pulmones produciendo “neumoconiosis”, si el material es sílice se denomina “silicosis”.

La neumoconiosis produce déficit de capacidad pulmonar y en grado severo puede causar la muerte.

LPP para la sílice es de 0,08 mgr/m3

LPA = 0,4 mgr/m3

Temperatura y Humedad La temperatura mínima en minas debe ser mayor que 2ºC

para evitar congelamiento de agua en cañerías o piso de galerías.

La temperatura debe ser tal que produzca una sensación térmica confortable, lo cual depende también de la humedad y velocidad del aire o “brisa”.

Dependiendo de la condición geográfica y/o estacional se puede requerir calentar o enfriar el aire de ventilación.

Temperatura

La temperatura al interior de una mina subterránea depende de varios factores:

1. Temperatura del aire exterior

2. Calentamiento por compresión del aire durante descenso a la mina

3. Temperatura de la roca

4. Procesos endotérmicos

5. Procesos exotérmicos

6. Intensidad de la ventilación

Aumento de temperatura por compresión

La temperatura de los gases aumenta si aumenta la presión (PV = nRT)

En el caso del aire se tiene que la presión atmosférica es inversamente proporcional a la altura sobre el nivel del mar.

A medida que profundizamos en una mina la presión atmosférica aumenta, por lo tanto también lo hace la temperatura.

Por este efecto, la temperatura aumenta a razón de 1ºC por cada 100m de profundidad o 10ºC cada 1 Km.

HTT

gasescteR

adiabaticoindicek

HkR

kTT

0098,0

27,29)_(

41,1)_(

1

0

0

Temperatura de la Roca

La temperatura de la roca en la capa superficial (20 a 40m bajo la superficie) se correlaciona con la temperatura del aire en el exterior.

Bajo la capa superficial está la zona geotérmica, en que la temperatura de la roca no tiene correlación con la temperatura exterior.

En la zona geotérmica, la temperatura de las rocas asciende a medida que nos acercamos al centro de la tierra.

Gradiente GeotérmicaSe define como la diferencia de temperatura

por unidad de profundidad (en la zona geotérmica)

Varía entre 1 y 5 ºC por cada 100m.Menos de 300m de profundidad: 2ºC/100mMenos de 1000 m de profundidad: 3ºC/100m1000 a 2500m de profundidad: 4,5ºC/100m

Velocidad del aire

El rendimiento aumenta con la velocidad del aire ya que un trabajador puede eliminar de mejor forma el calor al medio externo.

A mas de 5 m/s no hay mayor influencia practica

Legislación Chilena

Sensación TérmicaHumedadrelativa

Temperaturaseca

Velocidadmínima

85 % 24 a 30 °C 30 m/min

85 % 30 °c 120 m/min

Temperatura máxima: 32º si jornada < 6 hrs

30º si jornada < 8 hrs.Velocidad Máxima del aire: 150 m/min = 2,5 m/s

Principio básico

La regla fundamental de Ventilación:

“EVITAR A TODA COSTA QUE EL CONTAMINANTE LLEGUE A

ESTAR SUSPENDIDO EN EL AIRE"

Prevención y Eliminación Prevención

Considerar la necesidad de no contaminar desde el proyecto. Ej CI de motores requiere 20:1 para completa combustion.

Verificar que las modificaciones de la mina no introduzcan nuevos procesos o elementos contaminantes

Eliminación Modificar operaciones o mejorar prácticas para reducir

la formación de polvo o producción de gases indeseables (Ej: mantención de equipos)

Limpiar labores para eliminar polvo asentado

Supresión de efectos Supresión

Infusión con agua o vapor en focos contaminantes

Humidificar y congelar en tramo capturador de contaminantes en estado sólido.

Tratamiento de polvo asentado con productos químicos delicuescentes (que absorben humedad del aire).

Depuración con colectores de polvo o catalizadores.

Aislamiento y Dilución Aislamiento

Tronadura restringida o con personal afuera, para no exponer

Encerramiento de operaciones generadoras de polvo para aplicar algún sistema de tratamiento local (Filtros catalíticos, rociadores, aspiradoras, colectores de polvo …)

Dilución … último recurso Dilución por corriente de la ventilación principal; Dilución local por ventilación auxiliar

Demanda de Ventilación

Curso 2007

Tipos de Demanda Para Diluir

Gases naturales / Motores / Tronadura / Baterías Para Acondicionar

Enfriar / Calentar Para consumir:

Respiración de personas / Combustión de motores Para Mover

Arrastrar Hacer “brisa” Renovar

Cantidad de Aire para Diluir

Caudal para diluir un contaminante (Qd)

Qd > Qk(1-LPP)/(LPP-Ck)

Qd =Caudal m3/seg

Qk = Influjo de contaminantes en m3/seg

Ck = Concentración del contaminante en la entrada de aire a la mina

Ejemplo Datos: Gas Metano Qk = 0,12 m3/s; Ck =

0,1%; LPP Metano = 1%

Caudal necesario para diluir el metano:Qd > Qk(1-LPP)/(LPP-Ck)

Qd >0,12(1-0,01)/(0,01-0,001)

Qd > 0,12 x 0,99/0,009 = 13,2 m3/s

Caudal de Aire para AcondicionarBalance de Calor: (Calor α masa y Δtº α a Q y ºK)

Masa fría + Masa Caliente = Masa mezcla

Qc = Qf (tm – te)/(tc-te)

Qc = Caudal aire calentado

Qf = Caudal aire frío

tm = Temperatura final de la mezcla (ºC)

te = Temperatura de entrada del aire no acondicionado (ºC)tc = Temperatura del aire calentado (ºC)

32ºC > Temperatura de la mezcla > 2ºCideal 24ºC

Cantidad de Aire para Consumir

Caudal para consumir (QC)Respiración humana:

Qc > N x 3 (m3/min) = N x 0,05 (m3/s) N = Cantidad de personas en la mina

Combustión Motores: Qc > HP x 2.83 (m3/min) = HP x 0,05 (m3/s) HP = Cantidad de HP del motor diesel

Cantidad de Aire para Mover Caudal para Mover(QM)

Velocidad Mínima: QM > Vmin x A Vmin = Velocidad Mínima para “brisa” = 0,5 (m/s) A = Area (m2)

Velocidad Máxima: QM > Vmax x A Vmax = Velocidad Máxima con personas = 2,5 (m/s) A = Area (m2)

Caudal de Renovación: (recintos cerrados) QM > Nr x R / 3600 (m3/s) Nr = Cantidad de renovaciones de aire por hora (1/hra) R = Volumen del recinto (m3)

Arrastre polvo: usar V = 1 m/s

Explosivos en minas metalicas

Tf

GEQ

G= formación de gases en m3/ kg de explosivo

G=0,04 m3/kg

E: cantidad de explosivo a detonar, kg

T: tiempo ventilación (30 min)

f=: % dilución de gases en la atmosfera a no menos de 0,008%

Equipos Diesel

permitidaimaiónconcentracy

toxicocomponenteiónconcentracc

motorgasesvolumenV

requeridovolumenQ

y

cVQ

_max_

(%)__

__

_

Se mide a partir de pruebas en los equipos para diferentes estados de funcionamiento.

Se multiplica el valor de Q x 2 (factor de seguridad)

Equipos Diesel

HPQ 83,2Legislación minera Chile

33 0,27( / ) *3000 / *

( / )3600

0.45 :

0,3 : _ arg _ arg

0,15 : _

kg Kw Kw m Kg KQ m s

K

LHD

equipos c a desc a

equipos transporte

Sudafricana

Distribución del aire interior mina

Considerar operaciones interior mina

Determinar aire requerido

Aumentar requerimientos por perdidas (20-30%)

Tarea

Determinar el circuito de ventilación Demanda de aire