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Ventilacin Auxiliar

Prof. Juan Pablo Hurtado Cruz

Contenidos Introduccin Tipos bsicos de ventilacin auxiliar Tipos de conductos Fugas Cadas de presin al interior de conductos Cadas de presin en la galera De las necesidades de aire Precauciones en la instalacin de sistemas de

ventilacin auxiliar

Ventilacin auxiliarIntroduccin

Segn Yanes (2000), se define la ventilacin auxiliar en aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan reas restringidas de las minas subterrneas, empleando para ello circuitos de alimentacin de aire fresco y de evacuacin del aire viciado que le proporcione el sistema de ventilacin general. Por extensin, esta definicin la aplicamos al laboreo de tneles.

El objetivo de la ventilacin auxiliar es mantener las galeras en desarrollo con un ambiente adecuado para el buen desempeo de hombres y mquinas, esto es con un nivel de contaminacin ambiental bajo las concentraciones mximas permitidas y con una alimentacin de aire fresco suficiente para cubrir los requerimientos de las personas y de las mquinas utilizadas en el laboreo.

Una ventilacin auxiliar eficaz de los desarrollos de galeras no slo proporciona un ambiente ms sano y confortable para los trabajadores, sino que adems permite obtener mejores rendimientos y velocidad de avance al acortar los onerosos tiempos de espera para la evacuacin de los gases de disparos, y al mejorar la productividad de los hombres y equipos, la visibilidad, la seguridad y otros efectos beneficiosos que se traducen finalmente en una rebaja en los costos de los desarrollos y en el trmino de los mismos dentro de los plazos establecidos.

Ventilacin auxiliarTipos bsicos

Existen varios tipos de sistemas de ventilacin auxiliar, pero habitualmente se emplean dos como principales, ya que son los ms utilizados principalmente en el desarrollo de galeras horizontales, utilizando ductos y ventiladores auxiliares:Sistema impelente: El aire es impulsado dentro del ducto y sale por la galera en desarrollo ya viciado.

Sistema aspirante: El aire fresco ingresa a la frente por la galera y el contaminado es extrado por la ductera.

Ventilacin auxiliarTipos bsicos

Un tercer sistema es el combinado, aspirante-impelente, que emplea dos tendidos de ductera, una para extraer aire y el segundo para impulsar aire limpio a la frente en avance. Este sistema rene las ventajas de los dos tipos bsicos en cuanto a mantener la galera y la frente en desarrollo con una renovacin constante de aire limpio y en la velocidad de la extraccin de los gases de disparos, con la desventaja de su mayor costo de instalacin y mantencin.

Ventilacin auxiliarPara galeras horizontales de poca longitud y seccin (menores a 400 m y 4x3 m2 de rea), lo conveniente es usar un sistema impelente de mediana o baja capacidad, dependiendo del equipo a utilizar en el desarrollo y de la localizacin de la alimentacin y evacuacin del aire del circuito general de ventilacin de la zona.

Para galeras de mayor seccin y con una longitud sobre 400 m, el uso de un sistema aspirante o combinado es ms recomendable para mantener las galeras limpias y con buena visibilidad para el trfico vehicular, sobre todo si ste es Diesel.

Para ventilar desarrollos de tneles desde la superficie, es el sistema aspirante el preferido para su ventilacin, an cuando se requiere elementos auxiliares para remover el aire en la zona muerta comprendida entre la frente y el extremo de la ductera de aspiracin.

La aplicacin de sistemas auxiliares para desarrollar galeras verticales est limitada a su empleo para ventilar la galera donde se inicia el desarrollo de la chimenea o pique, dado que la destruccin de los tendidos de ductos dentro de la labor vertical por la cada de la roca en los disparos es inevitable. En su reemplazo, en muchos casos, se utiliza el aire comprimido.

El uso de sistemas combinados, aspirante-impelentes, para ventilar los desarrollos de piques verticales tambin son de aplicacin prctica cuando stos se practican en descenso y el producto de los disparos es extrado por baldes. En estos casos, el uso de un tendido de mangas que haga llegar aire fresco al fondo del pique en avance es imprescindible para refrescar el ambiente.

Ventilacin auxiliarIndependiente del tipo de sistema auxiliar que ms convenga, la alimentacin de aire fresco y evacuacin final del contaminado debe ser estudiada con detenimiento en cada caso particular, para evitar recirculacin de aire viciado de efectos acumulativos para el sistema y/o contaminacin indeseada de otras reas de la mina.

En los casos de minera de produccin, la seleccin del tipo de sistema auxiliar est limitado y definido por el sistema de ventilacin general, al cual hay que conectarse. Caso tpico de esta situacin es el desarrollo de galeras a partir de socavones principales que no conviene contaminar. En este caso la extraccin por ducteras del sistema aspirante con descarga al circuito de retorno de aire general ms cercano. Es lo aceptable para todo tipo de desarrollos.

Ventilacin auxiliarAdicionalmente, y de acuerdo con Hartman (1997), existen otros sistemas empleados en ventilacin auxiliar, tal como los Ventiladores de Chorro (Jet Fans), los cuales son ventiladores axiales abiertos que toman el aire proveniente de la galera y lo impulsan en la misma direccin (axial), a travs de la galera. Aunque sus aplicaciones estn principalmente dadas para tneles de carretera, se pueden aplicar para ventilar galeras ciegas de tramos cortos puesto que el chorro tiende a abrirse perdiendo eficiencia en su trayecto (< 100 m). No son recomendables para ventilar frentes con actividades muy contaminantes.

Otra opcin es el empleo de ventiladores difusores montados sobre la maquinaria de produccin, como rozadoras o minadoras, que permiten renovar el aire de la frente o aspirar el aire contaminado (p.e., metano). Los Scrubbers o barredoras son toberas alargadas que extraen el aire viciado y lo conducen a travs de un conducto de extraccin.

Ventilacin auxiliarOtra forma de ventilacin es mediante el uso de inyectores, que son dispositivos estticos para mover aire y que emplea aire comprimido movilizar el aire en frentes ciegas. Se emplea en minas metlicas y su funcionamiento se basa en el efecto venturi, pero es un sistema de muy baja eficiencia para ventilar, y por lo general, insuficiente. Sin embargo, permite una solucin rpida de implementar y efectiva para limpiar las frentes despus de las tronaduras, o frentes aisladas o ciegas cuando est disponible una red de aire comprimido o bien un compresor.

Tambin pueden ser empleados ventiladores con spray de agua, que permiten asentar el polvo en suspensin (c). Otra forma de limpiar una frente productiva es emplear un sistema combinado impelente-aspirante (push pull system).

Ventilacin auxiliarConductosSegn Yanes (2000), existen tres tipos principales de ductera existente en el mercado aplicables a la ventilacin subterrnea, se destacan los siguientes:

Ductos metlicos: son fabricados con planchas de fierro entre 1 a 4 mm de espesor de construccin en espiral y largos variables de 10 a 3 m. Dependiendo de su dimetro son aptos para ser usados en sistemas de mayor longitud por sus ventajas de bajo coeficiente de roce, excelente hermetismo en uniones (si se toma la precaucin de utilizarlos con flangesapernados) y bajo costo de mantencin. Las desventajas derivan de su peso y rigidez que dificultan y encarecen su instalacin y retiro final de la faena. Su costo por metro, si se dispone de una mquina que lo fabrique en la boca de la mina, es similar al ducto plstico reforzado con anillos de acero para ventilacin aspirante. En caso contrario, el costo adicional de transportede los ductos de bajo peso pero voluminoso encarece el costo unitario en un 30 a 40%.Para tneles de secciones superiores a las 4x4 m2desarrollados desde la superficie y con la longitud mayor a los 800 metros, el ducto metlico supera en ventajas prcticas a los flexibles (eficiencia, menor potencia requerida y menor mantencin del tendido).

Ventilacin auxiliarDuctos plsticos flexibles lisos: estos ductos confeccionados en PVC con tejidos sintticos de alta resistencia se proporcionan en tiras de largo y dimetro a pedido para su uso en sistemas impelentes de ventilacin, provisto de anillos de acero en sus extremos para ser conectados entre s con o sin uso de collarines de unin.

Su aplicacin en sistemas impelentes para desarrollos horizontales ha desplazado los tendidos de ductos metlicos por las ventajas derivadas de su menor peso y flexibilidad, lo que facilita su almacenamiento, transporte e instalacin con un costo muy inferior al metlico. Sus dimetros estandar varan de 300 a 1200 mm y el largo de sus tiras de 5 a 30 o ms metros.

Ventilacin auxiliarDuctos plsticos reforzados: estos ductos confeccionados en el mismo material que el anterior se refuerzan con una espiral de anillos de acero con una paso de 150 mm o de 75 mmpara su uso en sistemas de ventilacin aspirante con dimetros que van de 250 mm a 1200 mm y tiras de 5 o de 10 m de largo.

Para unirlos entre s se requiere el uso de collarines de unin y vienen provistos de ganchos de sujecin. Su aplicacin principal es para la extraccin de aire, pero igualmente pueden usarse en sistemas impelentes, siempre que no sea posible utilizar el tipo liso, ya que esta manga es ms resistiva y de mayor costo que el tipo liso.

TEM METLICOS FLEXIBLE REFORZADO FLEXIBLE LISO

APLICACIN Aspirante Aspirante Solo Impelente

Impelente Impelente

TRANSPORTE Alto costo Mediano costo Bajo costo

(Voluminoso) (paquetes) (plegados)

INSTALACIN Difcil lenta y riesgosa Regular rpida

Fcil y rpida

MANTENCIN Reducida Regular y permanenteRequiere buena

mantencin

TIPO DE UNINCollarn, flange

apernadoCollarn de unin tipo rpida

Collarn por tensin entre tiras

ACCESORIOS Cncamos y alambres

Cncamo, cable gua y gancho suspensin

Cncamo, cable gua y gancho suspensin

FUGAS Bajsima Regular a alta en uniones y por rotura

RESISTENCIA Baja Alta Baja

0,0002 0,00055 0,0003

MXIMA "H" RECOMENDADO 1200 mm.c.a. 250 mm.c.a.

650 mm. c. a.

FugasTodos los tendidos de ductera de los sistemas auxiliares presentan fugas de aire a lo largo del tendido, a travs de las uniones entre las tiras, uniones al ventilador y por roturas. Las sumas de estas fugas de aire representan a veces cifras que superan el 90% del caudal impulsado por l o los ventiladores del sistema, con las consecuencias fciles de imaginar para la efectividad de la ventilacin del desarrollo en la frente.

Los porcentajes de fugas consideradas aceptables para tendidos de ductos plsticos fluctan entre 30 a 40% de la capacidad del ventilador auxiliar. Estos rangos son ms bajos para tendidos de ductos metlicos que normalmente sufren pocas roturas durante su servicio, estimndose aceptables valores entre 20 a 30% para tiras unidas con bridas ajustables y menores al 10% para ductos provistos de flanges apernados con empaquetaduras de goma.Entonces, el porcentaje de caudal de fugas producido a lo largo del tendido debe ser considerado al seleccionar la capacidad del ventilador auxiliar, de manera tal que:

QVentilador = Q Requerido Frente + Q Fugas Estimadas

Para el clculo de caudales de fugas existen nomogramas y frmulas basadas en experiencias de laboratorio, que por las diferentes aplicaciones y tipos de ductera usadas no tienen una aplicacin generalizada.

Para efectos prcticos, mediciones efectuadas a los sistemas en operacin, proporcionan porcentajes de fugas ms reales a considerar para los futuros diseos dentro de la misma faena.

Ventilacin auxiliar

Ventilacin auxiliarCadas de presin al interior de los ductos

A diferencia de los sistemas de ventilacin principal, en el cual los dimetros de las labores son bastante mayores y sus velocidades por tanto menores, en la ventilacin auxiliar se pueden alcanzar diferencias de presin grandes (en trminos de ventilacin). Es por ello que los efectos de compresibilidad no pueden ser desestimados. La formulacin de Atkinson, basada en flujos incompresibles, debe ser reemplazada por

donde

Para un sistema aspirante, si P1=P0 (P0 = presin atmosfrica o absoluta en el exterior) entonces P2 ser la cada de presin en el sistema.Para un sistema impelente, si P2=P0 entonces P1 ser la cada de presin en el sistemaEn el caso de Kc los valores tpicos para tuberas metlicas son de 0.0006 (lb2 in min2/ft7) y para tubera flexible de 0.0007 (lb2 in min2/ft7).

Ventilacin auxiliarCadas de presin en la galera

Tal como se mostr en el tema 03, para estimar las prdidas del aire en la galera segn Atkinson, la resistencia est dada por las prdidas por friccin y las singulares que pueden reunirse en una sola ecuacin, que define la resistencia del circuito, o cada de presin esttica del circuito. A partir de las ecuaciones anteriores se puede reescribir una nueva ecuacin:

Sistema Internacional

Sistema Ingls

2lH R Q=

Sistema Internacional

Sistema Ingls

Entonces, se puede estimar una Resistencia para el tramo L, en las que se consideran la friccin y singularidades

Prdidas por friccinSistema Ingls Minas metlicas

Sistema Internacional

Sistema Ingls

Prdidas singulares

Potencia del ventilador (Power)La potencia hidrulica necesaria para el circuito se obtiene de la multiplicacin de la presin por el caudal. De acuerdo con los diferentes sistemas de unidades, existen varias formulaciones:

Sistema Internacional (H en Pa)

Sistema Ingls (H en H2O)

En este caso H = Presin que en el sistema internacional es Pascales

Ventilacin auxiliarDe las necesidades de aire

Las necesidades de aire se rigen por la Normativa a cumplir [ 1 ]:

Art. 132, D.S. N 132 (Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minera, CHILE)Art. 135, D.S. N 132Art. 138, D.S. N 132Art. 144, D.S. N 132Art. 66, D.S. N 594 (Reglamento sobre Condiciones Sanitarias y Ambientales Bsicas en Lugares deTrabajo, Ministerio de Salud, CHILE).Art. 129, 130, 131, 133, 134, 137, 141, 142, 143, 145, 146, 147, 150 y 151, D.S. N 132(Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minera, CHILE)

En resumen: - Caudal segn potencia de equipos Diesel- Caudal segn nmero de trabajadores- Caudal segn filtraciones - Caudal segn velocidad mnima/mxima del aire- Caudal segn volumen de gases txicos a remover (por consumo de explosivos)_______________________

[ 1 ] : Entidades fiscalizadoras estatales : - SERNAGEOMIN (MINISTERIO DE MINERA)- MINISTERIO DE SALUD.

Ventilacin auxiliarDe las necesidades de aire por tronadura

En particular, segn Voronin, el volumen de gases a remover en una tronadura es funcin de la cantidad de gases generados por una determinada masa de explosivos (A), tiempo necesario de ventilacin (t), el rea o seccin de la galera (S), lo que entrega el caudal necesario a suministrar (Q). Esta formulacin es emprica y est pensada en trminos de una galera ciega.Entonces, para un sistema aspirante:

Para un sistema aspirante, se establece una distancia a la que debe estar instalada la manga respecto de la frente:

Ventilacin auxiliarDe las necesidades de aire por tronadura

Para un sistema impelente:

Para un sistema impelente, se establece una distancia mnima a la que debe estar instalada la manga respecto de la frente:

Ventilacin auxiliarPrecauciones en la instalacin de sistemas de ventilacin auxiliar

Algunas precauciones que se deben tener principalmente en la instalacin de ventiladores axiales y que afectan sus rendimientos:

Utilizar cono de entrada en instalaciones de ventiladores impelentes. Estas piezas, generalmente de aluminio se deforman con los golpes y se pierden con facilidad.

Utilizar rejilla de proteccin en el cono de entrada, para no dejar expuesto el rotor al riesgo de destruccin por el ingreso de cuerpos extraos.

Conexiones directas de ductos plsticos a los ventiladores producen estrechamientos de seccin en la admisin, con la consiguiente prdida de presin esttica, adems de las fugas de aire por las junturas.

La instalacin de codos en la descarga de los ventiladores con radios menores a 0.5 f produce una alta resistencia al paso de aire.

El uso de piezas de reduccin de f en la descarga directa en los ventiladores tubo-axiales produce altas prdidas por estrechamiento (40%) si el ngulo de la reduccin es mayor a 30.

El montaje de un ventilador aspirante con descarga sin cono o ducto que reduzca la velocidad de salida es una prdida importante de energa que fcilmente puede evitarse con la instalacin de un ducto de descarga de un largo mnimo de 2 veces el dimetro del ventilador, o de un cono de descarga.

Chorro en aspiracin directa(curvas de isovelocidades)

Chorro en inyeccin directa(curvas de isovelocidades)

BibliografaYanes, E.; VENTILACION DE MINAS. Servicio Nacional de Geologa y

Minera. 2001.

Hartman, H.; Mine Ventilation and Air Conditioning; Third Edition; Wiley Intercience, 1997.

Novitzky, A; Ventilacin de Minas; 1962.

Ingeniera de Operaciones Mina; Curso de Ventilacin para Supervisores de Minas; rea Ventilacin & Drenaje - Codelco-Chile, Divisin El Teniente; 1991.

McPherson, M.; Subsurface Mine Ventilation; MVS 2th Edition, 2009.

Cisternas, Ral; Ventilacin Auxiliar de Desarrollos; Diplomado Tcnicas Modernas en Excavacin de Tneles; VDM Consultores, USACH, 2008.