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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS
TEMA : REDES DE VENTILACIÓN
CURSO : VENTILACIÓN DE MINAS
DOCENTE : ING. JOSÉ HALBERT CHANG VALDIVIEZO
INTEGRANTES : DANIEL GOMEZ ELVIS GARY
PINGO CHERRE LUIS EZEQUIEL
REYES PINEDO JEAN CARLO
TALLEDO RONDOY DAVID ALEXIS
SEMESTRE : II – 2010
PIURA, miércoles 09 de marzo del 2011
INDICE1 INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................3
2 OBJETIVOS.................................................................................................................................3
3 REDES DE VENTILACION............................................................................................................4
3.1 DEFINICIONES DE LOS ELEMENTOS DE UNA RED..............................................................4
3.1.1 RAMAL.......................................................................................................................4
3.1.2 NUDO.........................................................................................................................4
3.1.3 RED............................................................................................................................4
3.1.4 MALLA.......................................................................................................................4
3.1.5 ARBOL........................................................................................................................4
3.2 CIRCUITOS DE VENTILACIÓN..............................................................................................5
3.3 CIRCUITOS BASICOS DE VENTILACION EN MINAS..............................................................5
3.3.1 CIRCUITO EN SERIE....................................................................................................5
3.3.2 CIRCUITO DE VENTILACIÓN EN PARALELO.................................................................6
3.4 EFICIENCIAS EN VENTILACIÓN DE MINAS..........................................................................7
3.5 CALCULOS DE LOS CAUDALES REQUERIDOS......................................................................9
3.5.1 GENERALIDADES........................................................................................................9
3.5.2 REQUERIMIENTOS DE AIRE........................................................................................9
3.5.3 CÁLCULO DE LOS CAUDALES PARCIALES DE AIRE POR CADA OPERACIÓN...............11
3.5.4 FLUJO DE AIRE EN GALERÍAS O DUCTOS (LEY DE ATKINSON)..................................12
3.6 SELECCIÓN DE VENTILADORES........................................................................................13
3.6.1 PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA......................................................................13
3.6.2 POTENCIA DEL MOTOR............................................................................................14
3.6.3 LEYES DEL VENTILADOR...........................................................................................15
3.6.4 CIRCUITOS COMPLEJOS...........................................................................................15
3.6.5 SOFTWARE DE EQUILIBRIO DE REDES DE VENTILACIÓN..........................................15
3.6.6 SOFWARE DE DIMENSIONAMIENTO DE UNA RED DE VENTILACION.......................16
D.R.M.V Software para el dimensionamiento de una red de ventilación...........................................................16
3.6.7 INTRODUCCION A L METODO HARDY CROSS EN REDES DE VENTILACION..............17
3.6.8 OBSERVACIONES......................................................................................................20
3.6.9 EJEMPLO: RED DE VENTILACION DE METODO DE CAVING BLOCK...........................21
3.6.10 ANEXO A..................................................................................................................23
1 INTRODUCCIÓNLa distribución de aire en un sistema de ventilación de minas, es la asignación de caudales de aire en cantidad y calidad al interior de los diversos sectores de la mina, demandantes del recurso, de manera tal de lograr: medioambientes subterráneos aptos para el normal desempeño de los trabajadores, y, una óptima operación de las instalaciones y equipos.
La distribución efectiva del recurso aire hacia los diferentes sectores de una mina a ventilar, es función del uso y buen grado de utilización de los diversos dispositivos de control de flujos, tales como puertas de ventilación, tapados, reguladores y ventiladores reforzadores, instalados para este fin (distribución) al interior de los circuitos -principales y secundarios- de ventilación.
La ventilación natural por sí sola no es capaz de satisfacer las necesidades requeridas de aire, por esta razón empleamos ventiladores principales y auxiliares para crear altas y bajas presiones con la finalidad de mover los flujos de aire de acuerdo a las necesidades requeridas.
La segunda causa más frecuente de accidentes en minería en los últimos años fue la intoxicación/asfixia con un promedio de 18% por año y sumado a ello accidentes por gases naturales.
Todo sistema de ventilación es variante, se realizan un monitoreo constante y un ajuste permanente de acuerdo al requerimiento de cada operación minera conforme a los cambios que se realiza.
2 OBJETIVOS Suministrar aire fresco en cantidad y calidad adecuadas a fin de obtener un
ambiente saludable para los trabajadores que laboran en interior mina.
Reducir las concentraciones de los contaminantes ambientales a límites permisibles diluyendo y/o extrayendo los gases presentes en interior mina.
Evaluar las condiciones ambientales en las labores subterráneas para diseñar el sistema de ventilación en la mina.
3 REDES DE VENTILACION
Es la representación esquemática, interconectada y cerrada de todas las labores mineras (cuadros, galerías, recortes, chimeneas, rampas o cualquier frente de trabajo donde el aire es usado).
3.1 DEFINICIONES DE LOS ELEMENTOS DE UNA RED
3.1.1 RAMALEs un camino que conecta dos nudos o uniones. Si el ramal tiene una orientación entonces es un ramal dirigido.
3.1.2 NUDOEs la intersección de dos o más ramales. La intersección de dos ramales implica que un ramal principal puede ser quebrado en dos ramales componentes.
3.1.3 REDEs la reunión de nudos y ramales asociada a un conjunto de caracteres numéricos.
3.1.4 MALLA
Conjunto de ramales conectados que forman un camino cerrado.
3.1.5 ARBOL
Conjunto conectado de ramales que contiene todos los nudos de la red pero los ramales no forman ninguna malla.
ramal
Nudo
1 2 3
6 5 4
3.2 CIRCUITOS DE VENTILACIÓN
La ventilación en la mina esta caracterizada por tres tipos de circuito:
Circuito de ventilación primaria (PRINCIPAL). Es la ventilación de las labores con entrada y salida de aire ayudada mecánicamente por un potente ventilador comunicado con el exterior.
Circuito de ventilación SECUNDARIA. Ventilación de las labores con solo una entrada de aire, y cortes que no puedan ser ventilados con el circuito principal. Para que el aire vaya al frente se necesitan dos circuitos diferentes de los cuales la galería es el primer circuito.
Circuito de ventilación NATURAL. Se emplea en las minas de montaña y se consigue por diferencia de cota.
3.3 CIRCUITOS BASICOS DE VENTILACION EN MINAS
3.3.1 CIRCUITO EN SERIE
Se caracteriza porque la corriente de aire se mueve sin ramificación, por lo que el caudal permanece constante, en este caso todas las galerías se conectan extremo a extremo.
PROPIEDADES:
a. El caudal que pasa por cada labor es el mismo
Qt = Q1 = Q2 =.........= Qn
b. La caída de presión total es igual a la suma de caídas de presiones parciales:
Ht = H1 + H2 +.....+ Hn
•Luego, Como H = R*Q2
Ht = R1 * Q12+ R2*Q22+............+ Rn * Qn2
Rt * Qt2= R1 * Q12+ R2 * Q22+.......+ Rn * Qn2
Como Qt = Q1 = Q2 =.........= Qn
Quedará:
RT = R1 +R2 +R3 +…….. Rn
3.3.2 CIRCUITO DE VENTILACIÓN EN PARALELO
En la unión en paralelo, las labores se ramifican en un punto, en dos o varios circuitos que se unen en otro punto:
Circuito de ventilación en paralelo
CARACTERÍSTICAS:
a. La característica básica de las uniones en paralelo, es que las caídas de presión de los ramales que la componen son iguales, independientemente del, largo, resistencia y cantidad de aire.
H1 = H2 = H3 =....=Hn
b. El caudal total del sistema de galerías en paralelo, es igual a la suma de los caudales parciales.
Qt = Q1 + Q2 + Q3 +.....+ Qn
c.- La raíz cuadrada del valor recíproco de la resistencia aerodinámica del circuito, es igual a la suma de las raíces cuadradas de los valores recíprocos de las resistencias aerodinámicas parciales.
1 /√ R = 1 / √ R1 + 1 / √ R2 +..............+ 1 / √ Rn
3.4 EFICIENCIAS EN VENTILACIÓN DE MINAS
La instalación de las redes de ventilación está estrechamente vinculada con los planes de producción de la mina.
Lograr una mayor eficiencia en los sistemas de ventilación empleados y en el diseño de las redes al interior de las faenas, constituye una de las principales preocupaciones hoy en día en el ámbito de la ventilación de minas.
El caudal de aire requerido, y por lo tanto el dimensionamiento de la red de ventilación, se determina sobre la base de factores como: las condiciones de producción, uso de explosivos, cantidad y capacidad de equipos diesel operando, y personal dentro de la mina.
Antecedentes Técnicos Generales de un Proyecto de Ventilación:
a) Se deberá calcular la cantidad de aire requerido, considerando los siguientes aspectos:
Velocidad del aire a la entrada de la mina Cantidad de aire para la gente Cantidad de aire para el equipo Diesel
Aire necesario para diluir o remover los gases y el polvo Cantidad de aire adecuado para enfriar y otras necesidades.
b) Cálculo de la caída de presión del sistema:
Pérdidas por fricción y pérdidas por choque.
c) Plano detallado de la mina u obra, indicando los sectores en que serán ubicados los equipos.
d) Listado de equipos seleccionados.
Antecedentes Técnicos Específicos de un Proyecto de Ventilación:
a) Cálculo de los caudales parciales de aire por cada operación.
Perforación. Carguío de explosivos, acuñaduras y trabajos varios al interior de la mina. Voladura de avance y producción. Caudal requerido para carguío y transporte.
b) Considerar en el cálculo de las pérdidas, las siguientes restricciones físicas:
Espacio existente entre los equipos de carguío y transporte y la labor. Longitud del ducto. Problemas con el manejo de insumos o material suspendido en la labor. Daños potenciales de la voladura y otras actividades.
c) Otras consideraciones:
Los ductos y ventiladores deben ser calculados de manera que los ventiladores puedan mover el aire requerido. Señalar las direcciones preferentes del flujo de aire (succión y soplado).
d) Potencia y eficiencia de los ventiladores, más ductería empleada.
3.5 CALCULOS DE LOS CAUDALES REQUERIDOS
3.5.1 GENERALIDADES
El objetivo principal de un estudio de ventilación de minas, es determinar la cantidad y calidad del aire que debe circular dentro de ella.
Los factores que influyen en la determinación de este caudal, dependen de las condiciones propias de cada operación y del método de explotación utilizado.
El caudal necesario, para satisfacer las necesidades tanto del personal como de los equipos que en conjunto laboran al interior de la mina, se establecen de acuerdo a los requerimientos legales, normas de confort y eficiencia del trabajo.
Este caudal debe garantizar la dilución de los gases generados tanto por los equipos y maquinarias de combustión interna (Diesel), como los gases provenientes de la voladura y los polvos asociados a las distintas operaciones.
La normativa a cumplir, es del Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional DECRETO SUPREMO Nº 055-2010-EM, del Ministerio de Energía y Minas, artículos desde el N° 236 al N° 240.
El aire, al pasar por una mina sufre cambios en su composición, principalmente de disminución de oxígeno. En minas poco profundas, el clima dentro de las minas, no presenta mayores preocupaciones, pero cuando tienen profundidades superiores a 1.000 metros, éste es un problema que debe ser atendido.
La acción de temperaturas elevadas sobre el personal, pueden incluso provocar la muerte.
3.5.2 REQUERIMIENTOS DE AIRE
Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al personal y el número de equipos que trabajan al interior de las labores en los niveles que componen la mina, además de conocer el método de explotación.
El cálculo de las necesidades, permitirá ventilar las labores mineras en forma eficiente, mediante un control de flujos tanto de inyección de aire fresco, como de extracción de aire viciado. Esto permite diluir y extraer el polvo en suspensión, gases producto de la voladura o de la combustión de los vehículos.
Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros operacionales:
De acuerdo al número de personas
NECESIDADES DE AIRE DE ACUERDO A DIFERENTES ALTITUDES
Para respiración personal
1. Hasta los 1,500 la cantidad mínima de aire necesaria por hombre será de 3 m³/min
2. De 1,500 a 3,000 msnm, aumentará en 40% que será igual a 4 m³/min 3. De 3,000 a 4,000 msnm aumentará en 70% que será igual a 5 m³/min 4. Sobre los 4,000 msnm aumentará en 100% que será igual a 6 m³/min
De acuerdo a la cantidad de equipos diesel que ingresan a la mina
De acuerdo al consumo de explosivos
3.5.3 CÁLCULO DE LOS CAUDALES PARCIALES DE AIRE POR CADA OPERACIÓN
a) Perforación Mecanizada (Jumbo).
b) Carguío de explosivos, acuñaduras y trabajos varios interior mina.
c) Voladura de avance (tiempo de dilución de 30 minutos).
d) Voladura de banqueo (tiempo de dilución 180 minutos).
e) Caudal requerido por la producción.
f) Caudal requerido por carguío y transporte.
El caudal parcial para cada operación se deberá calcular, de acuerdo a normativa de suministrar 3 m3/min. Por cada HP motor de todo equipo diesel en operación (Art. 236, D.S. Nº 055-2010-EM).
Al caudal de aire obtenido, según flota diesel operativo, se le debe agregar el caudal requerido por la totalidad de personas trabajando al interior de la mina.
Una vez calculados los caudales, según los distintos aspectos considerados, se debe efectuar un análisis para determinar cuál caudal se debe considerar y cuál suma de
ellos. Luego, a la cantidad determinada es aconsejable considerar un porcentaje de aumento a causa de pérdidas y filtraciones, por ejemplo, un 30 %.
Q filtraciones = 30% de Q req.
Por lo tanto:
Q TOTAL = [Q req + Q filtraciones]
3.5.4 FLUJO DE AIRE EN GALERÍAS O DUCTOS (LEY DE ATKINSON)
Cuando el aire fluye a través de un ducto o galería minera, la presión requerida para mover el aire a través de él depende no sólo de la fricción interna, sino también del tamaño, longitud, forma del ducto, velocidad y densidad del aire.
Todos estos factores son considerados en la ecuación de J. Atkinson, denominada
“Ley de Atkinson”:
P = K C L V² / A
Donde P = Pérdida de presión [Pa]
K = Factor de fricción [Ns² / m4]
C = Perímetro [metros]
L = Longitud [m.]
V = Velocidad [m / seg.]
A = Área [m²]
A partir de esta ley, se pueden calcular K y la caída de presión estática.
En adelante, se usará la letra P para el cálculo de potencia y la caída de presión (pérdida de presión) se pasará a llamar H.
Conocidos el Caudal (Q) y la Caída de Presión (H) a cierta densidad del aire (W), se establece el punto operacional para el sistema.
3.6 SELECCIÓN DE VENTILADORES
Para ventilar una mina se necesitan ciertas cantidades de flujo de aire, con una caída de presión determinada, a cierta densidad del aire. Conocidas la caída y el caudal de la mina (Punto de operación del sistema), existen casi un número infinito de ventiladores en el mundo que satisfacen el punto operacional adecuado.
Se deberá especificar el punto de operación (Q vs. H Sist.) del ventilador requerido, a fin de que los proveedores coticen la unidad ventiladora con la potencia de motor eléctrico correspondiente, que satisfaga dicho punto. La especificación debe incluir además, la altura geográfica en donde se instalará dicho equipo.
3.6.1 PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA
Existen cientos de ventiladores que satisfacen cada Caída-Caudal característica.
Además, cada ventilador puede variar su velocidad (RPM), las paletas o el diámetro.
Todas estas características, esenciales para la selección del ventilador adecuado, pueden ser obtenidas de los fabricantes.
Las curvas de funcionamiento vienen trazadas en función de las variables operacionales principales: Caídas de Presión (H), Caudal (Q), Potencia (P) y Eficiencia (η) a densidad de aire normal, que a nivel del mar es de [¨1.2 Kg. / m³] (W).
A una altura de 3.600 m.s.n.m. por ejemplo, la densidad del aire es de [0.866 Kg. / m³], razón por la que la densidad debe corregirse por aquélla en donde se desempeñará la unidad.
La forma habitual del trazado de curvas es graficar el Caudal versus las demás variables (caída estática, caída total, potencia al freno, eficiencia estática y eficiencia total).
Normalmente, se logra una ventilación efectiva cuando se emplean varios ventiladores principales, los que se ubican de preferencia en las galerías principales de ventilación o en piques en la superficie y se distribuyen de manera que la carga o caída de presión del sistema esté dividido en forma equitativa entre los ventiladores.
3.6.2 POTENCIA DEL MOTOR
La potencia que se debe instalar, con un factor de servicio de al menos 1.15, es mayor que la Potencia a consumir
Las consideraciones que deben hacerse para calcular la potencia del motor son:
Q = Caudal de aire en m³/seg.
H = Depresión del circuito en Pa (presión estática en Pascales)
P = Potencia del motor en KW.
η = Eficiencia del ventilador, la cual varía entre 70 a 85% (dependiendo de la fabricación, tamaño y punto de trabajo).
AHP = Potencia necesaria para mover el caudal Q de aire en un circuito cuya depresión es H, en KW.
BHP = Potencia al freno del ventilador, en KW.
DE = Eficiencia de la transmisión, la cual varía entre 90% para transmisión por poleas y correas, y 100% para transmisión directa.
ME = Eficiencia del motor, la cual varía entre 85% a 95%.
Como la Potencia del motor es directamente proporcional a la cantidad de aire y a la pérdida de presión del circuito se tendrá que:
1) AHP = Q x H / 1000
2) BHP = Q x H / 1000 x η
3) P = Q x H / 1000 x η x DE x ME
3.6.3 LEYES DEL VENTILADOR
Se considera N = la velocidad de rotación del ventilador. La forma en que afecta al volumen de aire movido, a la presión capaz de producir y a la energía absorbida por el ventilador, constituyen las leyes de rendimiento básico de cualquier ventilador.
Estas relaciones son:
Q ≈ N
H ≈ N²
P ≈ N³
Estas leyes se aplican prescindiendo del sistema de unidades usadas, siempre que sean consistentes. Su importancia radica en que si la resistencia del sistema contra el cual está operando el ventilador no cambia, aunque aumentamos la velocidad del ventilador, por ejemplo al doble:
Q1/Q2 = N1/N2 = ½ > Q2 = 2 x Q1 (El Caudal aumenta al doble)
H1/H2 = (N1/N2)² = ¼ > H2 = 4 x H1 (La Presión aumenta 4 veces)
P1/P2 = (N1/N2)³ = 1/8 > P2 = 8 x P1 (La Potencia aumenta 8 veces)
Esto indica que la decisión de aumentar la velocidad del ventilador tiene efectos considerables en la energía requerida
3.6.4 CIRCUITOS COMPLEJOS
Cuando la conexión entre las galerías se hace más complicada, no pudiendo reconocer en el circuito conexiones en paralelo, serie o diagonal, se debe recurrir a otros métodos de cálculo más complejos que, generalmente, requieren ayuda de instrumentos y/o computadores.
3.6.5 SOFTWARE DE EQUILIBRIO DE REDES DE VENTILACIÓN
Una vez resuelto el caudal resultante, se puede realizar una simulación de la malla definitiva del proyecto, imponiendo en la rama que representa la estocada en que se instalará el ventilador principal, el caudal de aire de diseño y la presión estática del punto. El trazado estará compuesto además por la vía principal de aire fresco y la chimenea de extracción general conectada con la superficie.
Para imputar los datos de cada una de las ramas, se define una malla equivalente tomando como soporte por ejemplo, el dibujo en AutoCad del circuito asociado al Proyecto. Se carga el software con la malla real del circuito, asignando las cotas y largos reales a cada tramo.
Para la simulación, se requieren los siguientes parámetros generales:
Densidad del aire : 1,2 Kg./ m³ (sin factor de corrección) Eficiencia del Ventilador : 75% (por defecto) Coeficientes de fricción : K
Para abordar las distintas situaciones a las que se verá enfrentada la explotación del proyecto, se generan varios escenarios representativos. Cuando se desea evitar que el caudal de aire aumente en demasía en una dirección, se deberá adecuar un regulador cuya dimensión variará de acuerdo a cada escenario.
El escenario más desfavorable o de mayor resistencia debe sensibilizarse con los valores del consumo de energía y de la construcción. Entre dos alternativas que presenten un gasto combinado energético y de construcción similar, se preferirá aquélla que acepte mayor caudal de aire, por si las condiciones de explotación de otro sector así lo necesitan.
De acuerdo al resultado de esta simulación, que entrega como producto final el “punto de operación del sistema” (ejemplo: Caudal Q = 1.600 m³/min. y Caída de presión Ps = 127 mm. de columna de agua), se seleccionarán los ventiladores de la instalación.
3.6.6 SOFWARE DE DIMENSIONAMIENTO DE UNA RED DE VENTILACION
D.R.M.V Software para el dimensionamiento de una red de ventilación
En este trabajo se presenta un programa de computador (D.R.V.M) basado en el método de Hardy Cross para analizar redes cerradas de ventilación en la minería subterránea. La versión es una actualización del algoritmo planteado inicialmente por By y J Wang.
El algoritmo matricial es programado en Visual Fortran 2000 (Versión 6.1). Al código fuente inicial, se adicionó la subrutina para él cálculo del tironatural, un dimensionamiento general de cada variable con el fin de manejar rangos mayores, Además se implementa el sistema de unidades internacionales y manejos de nuevos comandos como el INPUT y el OUTPUT de los datos, que hacen más poderosa la herramienta.
Al final se ilustra la aplicación del Método de Cross con un análisis del calculo de redes de ventilación, y se muestran los resultados arrojados por el programa.
3.6.7 INTRODUCCION A L METODO HARDY CROSS EN REDES DE VENTILACION
La distribución de aire en una red de ventilación se caracteriza por la siguiente ecuación:
Es la relación bien conocida entre la carga o depresión, el caudal y la resistencia aerodinámica del circuito.
El método de Cross se fundamenta en las dos leyes siguientes:
Ley de la continuidad: La suma algebraica de los caudales en un nodo de la red debe ser igual a 0.
Ley de circulación (ley de conservación de energía): La suma algebraica de las pérdidas de presión y de las fuerzas aeromotrices (depresiones de ventiladores), medidas a lo largo de un circuito cerrado o malla es igual a 0.
Para cada malla se adoptará un sentido de recorrido determinado, se le atribuirá un sentido directo (dirección de caudales positivos) y uno inverso (caudales negativos).
Para una mayor comprensión definamos:
B = Nº de derivaciones, ramas, brazos o galerías que comienzan y terminan en nodos.
n = Nodos definidos por que en él se unen dos, tres o más ramas.
m = Circuito cerrado de brazos, llamado mallas
Red = Conjunto de mallas que definen un circuito
Entonces para una red mallada, que consta de "b" ramas y "n" nodos, el problema por resolver presenta "2b" incógnitas, que son los "b" caudales y las "b" caídas de presión "H". Entre éstas tenemos "b" características aerodinámicas de derivaciones, que son de segundo orden en "Q" y de forma:
Tenemos "n-1" ecuaciones según la ley de continuidad. Son "n-1" ya que el nodo "n" estará determinado por los otros. Además "b-(n-1)" ecuaciones por medio de la Ley de circulación. En consecuencia, debemos elegir en la red "b-(n-1)" mallas para las cuales se aplicará la condición:
La resolución de tal sistema de "2b" ecuaciones con "2b" incógnitas, de las cuales la mayoría son de segundo orden, evidentemente es muy difícil, ya que las eliminaciones sucesivas de incógnitas conducirán a ecuaciones cuyo grado se haría más y más elevado.
De modo que estamos obligados a aplicar un método que, por iteraciones sucesivas, nos dé una serie de resultados más y más próximos a la solución exacta del sistema. El Método de Hardy Cross es un método iterativo que parte de la suposición de los caudales iniciales en los tramos, satisfaciendo la Ley de Continuidad en los nudos, los
cuales corrige sucesivamente con un valor particular, , en cada interacción se debe calcular los nuevos caudales corregidos en los tramos de la red. Ello implica él calculo de los valores de R de cada unos de las ramas, el anterior procedimiento se realizara n veces hasta que la corrección sea aproximadamente cero, lo cual es agotador e ineficaz si se hace con calculadora o manualmente. Mas aún, sabiendo que en la practica encontramos minas con muchas derivaciones o ramas.
El software (D.R.M.V) presentado trata de compensar estas falencias, haciendo sencillo y veloz el dimensionamiento de una red de ventilación de minas.
Solución de una red usando D.R.V.M
Esquema de la red de ventilación de una mina
Datos para la red usados por D.R.V.M.
Estos son los resultados que arroja D.R.V.M luego de ejecutar los datos:
3.6.8 OBSERVACIONES
El valor de R calculado por la siguiente expresión:
R = (45 LAD* f*r *LNG)/ AREA2.5 f = PRMT/Ö 4P S
El tiro natural es calculado por las siguientes expresiones: TNA = r (COTI – COTF) [mmCA], r es la densidad promedio entre los nodos inicial y final de la rama. r = 0.462 (Presión / T), P en mmHg y T en ° K. D.R.M.V es un programa para dimensionar la red de ventilación de una mina, por lo tanto no se recomienda utilizarlo como soporte para diseñar el sistema de explotación de esta. D.R.M.V es una herramienta fundamental en la red, ya que puede dimensionarla de acuerdo a caudales impuestos o caudales requeridos en un tramo, además puede escoger o recomendar el ventilador necesario en la red. Para el uso de D.R.M.V es necesario la participación de personas con conocimientos suficiente en el área de ventilación, esto con el fin de aprovechar al máximo la gama de resultados arrojados por el programa. D.R.M.V se utiliza tanto para ventilación principal, como para ventilación secundaria.
3.6.9 EJEMPLO: RED DE VENTILACION DE METODO DE CAVING BLOCK
Dentro de los años ´70, se incorporó -como herramienta de apoyo a los proyectos de ventilación- el uso de modelos computacionales de equilibrio de redes de ventilación, basados éstos en el algoritmo original desarrollado por Hardy Cross (U.S.A.). Como es bien conocido, tales modelos permitían -ya en esos tiempos- predecir los movimientos y distribución de aire al interior de minas simuladas, como también conocer qué equipo y/o dispositivo de control de flujo era necesario instalar (ventilador(es) y/ó regulador(es), y en qué ramas dentro del circuito general, representado por un diagrama equivalente de ventilación), de manera tal de lograr los caudales requeridos en mina real (previamente definidos como caudal impuesto dentro de la base de datos del modelo). En la misma década, se utilizó ventiladores auxiliares (de 40 y 50 HP), como ventiladores reforzadores en chimeneas de ventilación, en sectores de mineral primario (Mina El Teniente - CHILE).
Desde el año 2000, en Mina Río Blanco (Codelco-Chile, División Andina), explotada por método Panel Caving, se está utilizando como dispositivos de distribución de flujos de aire de ventilación, ventiladores auxiliares reforzadores y reguladores (controlados de forma manual y telecomandados) ; los primeros (ventiladores) actúan ya sea como ventiladores reforzadores de inyección de aire, por chimeneas, desde subniveles de ventilación (SNV-16½ ; SNV-17), hasta los diferentes niveles demandantes del recurso (por ejemplo: Nivel de producción), ó como ventiladores reforzadores de extracción de aire, por chimeneas, desde los
respectivos niveles (por ejemplo: nivel 17-Transporte), hasta los respectivos subniveles de ventilación (SNV-16½ ; SNV-17).
Por otro lado, los reguladores operan en circuitos de inyección de alta presión (en área cercanas a ventiladores principales de inyección), desde dónde se distribuye aire fresco -en forma controlada (por medio de una abertura predefinida en el regulador)- hacia diferentes puntos de consumo los diferentes puntos de consumo -de aire de ventilación- de una mina explotada por método Panel Caving:
• Instalaciones Subterráneas: Oficinas, pañoles, naves de mantención, otros,
• Nivel de Producción: XC´s de producción - LDH, Piques de producción,
• Nivel de Reducción: Estaciones de martillos, Chancadores subterráneos,
• Nivel de Transporte Principal: Avances FFCC, Estaciones de carguío de trenes,
• Nivel de Hundimiento: XC´s de hundimiento (perforación radial, polvorazos).
De acuerdo a lo consignado en páginas anteriores, es posible concluir que, efectivamente la distribución de aire de ventilación en minas explotadas por métodos Block y Panel Caving ha evolucionado notablemente en lo que respecta a infraestructura, como también al equipamiento requerido de implementar, es decir ventiladores principales + ventiladores auxiliares reforzadores + dispositivos de control de flujos, tales como: puertas, reguladores, tapados, otros.
3.6.10 ANEXO A
3.6.10.1 REQUERIMIENTOS DE AIRE
Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al personal y el número de equipos que trabajan al interior de las labores en los niveles que componen la mina, además de conocer el método de explotación.
El cálculo de las necesidades, permitirá ventilar las labores mineras en forma eficiente, mediante un control de flujos tanto de inyección de aire fresco, como de extracción de aire viciado. Esto permite diluir y extraer el polvo en suspensión, gases producto de la voladura o de la combustión de los vehículos.
Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros operacionales:
a) Caudal requerido por el número de personas:
El Art. N° 138 del D.S. N° 72., exige una corriente de aire fresco de no menos de tres metros cúbicos por minuto (3 m³/ min.) por persona, en cualquier sitio del interior de la mina.
Q= F x N (m³/ min.)
Donde:
Q = Caudal total para “n” personas que trabajen en interior mina (m³/ min.)
F = Caudal mínimo por persona (3 m³/ min.)
N = Número de personas en el lugar.
A pesar que este método es utilizado con frecuencia, se debe considerar “F” sólo como referencia, pues no toma en cuenta otros factores consumidores de oxígeno, como lo son la putrefacción de la madera, la descomposición de la roca, la combustión de los equipos, etc.
b) Caudal requerido por desprendimiento de gases Según Norma Chilena:
Q= 0.23 x q (m³/ min.)
Donde:
Q = Caudal de aire requerido por desprendimiento de gases durante 24 horas
q = volumen de gas que se desprende en la mina durante las 24 horas
c) Caudal requerido por temperatura:
La legislación chilena señala que la temperatura húmeda máxima en el interior de la mina no podrá exceder de 30 º C, para jornadas de trabajo de 8 horas.
Como norma para el cálculo del aire respecto a la temperatura, se dan los siguientes valores
HUMEDAD RELATIVA
TEMPERATURA SECA
VELOCIDAD MINIMA
Para una labor de 20 m² (5m. X 4 m.)
< ó = 85 % 24 a 30 º C 30 m. /min. 600 m³/min.
> 85 % > 30 º C 120 m. /min.
2240 m³/min.
d) Caudal requerido por el polvo en suspensión:
El criterio más aceptado es hacer pasar una velocidad de aire determinado por las áreas contaminadas y arrastrar el polvo, a zonas donde no cause problemas.
Según el Art. N° 138 D.S. N° 72 la velocidad promedio en los lugares de trabajo no debe ser inferior a los quince metros por minuto (15 m./min.). Para lugares con alta generación de polvo, este valor puede ser considerado hasta un 100% mayor.
Hasta ahora, no hay método de cálculo aceptado por todos, que tome en cuenta el polvo en suspensión. Pero, velocidades entre 30 a 45 m. /min. Son suficientes para mantener las áreas despejadas.
En Chile, la velocidad máxima permitida en galerías con circulación de personal es de 150 m/min. Reglamento de Seguridad Minera (“RSM”).
e) Caudal requerido por la producción:
Este método es usado generalmente en minas de carbón. Para minas metálicas, se debe tomar en cuenta el consumo de madera, ya que ésta fijará el porcentaje de CO2 existente en la atmósfera.
El cálculo se basa sobre la suposición de que la cantidad de gas (CH4 y CO2) que se desprende es proporcional a la producción, expresado en forma matemática:
Q = T x u (m3/min.)
Donde:
Q = Caudal requerido por toneladas de producción diaria (m3/min.)
u = norma de aire por tonelada de producción diaria expresada en (m3/min.)
T = Producción diaria en toneladas.
Para minas de carbón, "u" varía generalmente entre 1 a 1,7 (m3/min.).
En minas metálicas, con poco consumo de madera, varía entre 0,6 a 1 (m3/min.). Si el consumo de madera es alto, puede llegar hasta 1,25 (m3/min.)
Un buen criterio es SUMAR el caudal necesario calculado según el personal que trabaja en la mina, con el caudal necesario calculado según el equipo Diesel y aumentar este total en un 20% o más por cortocircuitos o pérdidas.
f) Caudal requerido por consumo de explosivo:
La fórmula que se conoce para este cálculo puede ser criticada, ya que no toma en cuenta varios factores que se expondrán después de presentarla.
Al tratarse de minas metálicas, este método es el que más se usa. Toma en cuenta la formación de productos tóxicos por la detonación de explosivos, el tiempo que se estima para despejar las galerías de gases y la cantidad máxima permitida, según normas de seguridad, de gases en la atmósfera.
Para el cálculo de este caudal, se emplea la siguiente relación empírica:
Q=100× A×a( m 3
min.)
d ×t
Donde:
Q = Caudal de aire requerido por consumo de explosivo detonado (m3/min.)
A = Cantidad de explosivo detonado, equivalente a dinamita 60% (Kg.)
a = Volumen de gases generados por cada Kg. de explosivo.
a = 0.04 (m³/Kg. de explosivo); valor tomado como norma general
d = % de dilución de los gases en la atmósfera, deben ser diluidos a no menos de 0.008 % y se aproxima a 0.01 %.
t = tiempo de dilución de los gases (minutos); generalmente, este tiempo no es
mayor de 30 minutos, cuando se trata de detonaciones corrientes.
Reemplazando en la fórmula tendremos:
Q = (0,04 x A x100) / (30 x 0,008) m3/min.
Entonces, tendríamos finalmente: Q = 16,67 x A (m3/min)
La fórmula trata este caso como si fuera a diluir los gases dentro de un espacio cerrado, lo que no es el caso de una mina donde parte de los gases se eliminan continuamente de la frente por el volumen de aire que entra. Además, los gases tóxicos se diluyen continuamente con la nube de gases en movimiento con el aire limpio.
Por último, cada gas tóxico que se produce tiene propiedades distintas a las demás, luego necesitan diferentes porcentajes de dilución, entonces "d" dependerá del explosivo que se esté usando.
g) Caudal requerido por equipo Diesel:
El art. N° 132 del “R.S.M.” (D.S. N° 72) recomienda un mínimo de 2.83 (m3/min) por HP al freno del equipo para máquinas en buenas condiciones.
Se debe aclarar que los 2,83 m³/min. del art. N° 132 son el mínimo caudal de aire requerido y no acepta factores de corrección. Por lo demás, se pide la potencia al freno o potencia bruta, que es la máxima potencia proporcionada por el motor sin tener en cuenta las pérdidas por transmisión, si es que no se cuenta con la curva de potencia entregada por el fabricante (gráfico KW vs. RPM) o con una recomendación de ventilación para el equipo proporcionada por el fabricante y certificada por algún organismo confiable.
Para aclarar mejor el punto anterior, se debe calcular el requerimiento de aire de cada equipo diesel, multiplicando 2,83 por la potencia y por el número de
equipos que trabajan en el momento de máxima producción, eliminando aquéllos que están fuera de la mina, en reserva o en mantención.
Se puede además, determinar con suficiente aproximación, la cantidad necesaria de aire normal para diluir un componente cualquiera del gas de escape diesel a la concentración permisible, a partir de la siguiente fórmula:
Q = V x c (m3/min.) Y
Donde:
Q = caudal de aire necesario para la ventilación (m3/min.);
V = volumen de gas de escape producido por el motor (m3/min.);
c = concentración del componente tóxico, del gas de escape, que se considera en particular (% en volumen);
y = concentración máxima, higiénicamente segura, para el componente tóxico que se está considerando (% en volumen).
Este método necesita de un estudio previo para determinar el volumen de gases y la concentración del toxico. El máximo volumen determinado se multiplica por 2 para establecer una ventilación segura.
3.6.10.2 PROBLEMA
Se planea explotar un yacimiento de Cobre, según el método de explotación subterránea Sub Level Stoping (S.L.S.); uno de los requerimientos centrales del proyecto, dice relación con el diseño, cálculo y dimensionamiento del Sistema de Ventilación minero-subterráneas, cuenta tenida de los principales contaminantes Principal que deberá implementarse para atender las diversas operaciones a controlar.
DATOS
MÉTODO DE EXPLOTACIÓN: Sub Level Stoping (S.L.S.)RITMO DE PRODUCCIÓN: 1500 tpdCOTA BASE CASERÓN INFERIOR: 600 m.s.n.m.DENSIDAD PROMEDIO DEL AIRE EN LA FAENA: 0.07 lbs/pie3ACCESO PRINCIPAL DESDE SUPERFICIE: RampaLONGITUD RAMPA PRINCIPAL DESDE SUPERFICIE HASTA CASERÓN BASE: 2000 m
SECCIÓN RAMPA PRINCIPAL: 5.5 x 5.0 m.DIFERENCIA DE COTA ENTRE SUPERFICIE Y PISO DE CASERÓN BASE: 200 mNÚMERO MÁXIMO DE PERSONAS POR TURNO: 15 personasPARQUE DE EQUIPO DIESEL OPERATIVO: 3 camiones de bajo perfil x 270 HP+ 3 LHD x 230 HP + 2 vehículos livianos x 110 HPEQUIPO DIESEL EN DESARROLLOS: Se utilizará LHD´s de producciónOFICINAS Y SERVICIOS, TALLER DE MANTENCIÓN: En superficieCARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LA FAENA: Corriente trifásica, 380 volts; 50 Hz.
SOLUCIÓNDe acuerdo a datos recopilados, los cuales incluyen planos de diseño de explotación y de acceso principal a la mina, más la experiencia registrada en faenas subterráneas de características similares, se percibe como una buena opción: ventilar la mina mediante Sistema de Ventilación Aspirante.
REQUERIMIENTO DE CAUDAL DE AIRE
El mayor contaminante ambiental producido en la aplicación de este método de explotación (S.L.S.), son los gases emitidos por los equipos diesel; de acuerdo a lo anterior, y para efectos de cálculo del caudal de aire de ventilación, deberá determinarse tal caudal de acuerdo a la normativa de suministrar 2.83 m3/min por cada HP motor de todo equipo diesel en operación (equivalente a 100 pie3/min por cada HP motor) [1].Al caudal de aire obtenido según flota diesel operativo, se le deberá agregar el caudal requerido por la totalidad de personas trabajando al interior de la rampa [2].
Equipos:
3 camiones x 270 HP3 LHD x 230 HP2 vehículos livianos x 110 HP
Requerimiento de aire (Equipos)
i) Q camión = 270 HP x 100 pie3/min+ 270 HP x 100 pie3/min x 0.75 [3]
+ 270 HP x 100 pie3/min x 0.50 [3]_________________________________Q camión = 60750 pie3/min
ii) Q LHD = 230 HP x 100 pie3/min+ 230 HP x 100 pie3/min x 0.75+ 230 HP x 100 pie3/min x 0.50_________________________________Q LHD = 51750 pie3/min
iii) Q vehículos livianos = 110 HP x 100 pie3/min+ 110 HP x 100 pie3/min x 0.75___________________________________Q vehículos livianos = 19250 pie3/min
• Subtotal Q requerido/equipos = [60750 + 51750 + 19250] pie3/min= 131750 pie3/min
Trabajadores:
Se tiene: 15 trabajadores por turno
Requerimiento de aire (trabajadores)
Q trabajadores = 15 trabajadores x 3m3/min/trabajador [1]= 45 m3/min= 1600 pie3/min (aprox.)• Subtotal Q requerido/trabajadores = 1600 pie3/min___________________________________________________________________Total Q requerido (equipos + trabajadores) = [131750 + 1600] pie3/min= 133350 pie3/min
A este caudal debe agregársele, como mínimo, 15% del Q requerido por concepto de fugas/filtraciones, obteniéndose:
Q filtraciones = (0.15 x 133350) pie3/min = 20000 pie3/min (aprox.)Lo que da, finalmente, como caudal total de ventilación, un valor igual a:
Q TOTAL = (Q requerido + Q filtraciones) pie3/min= (133350 + 20000) pie3/min= 153350 pie3/min= 160000 pie3/min
Determinación de Parámetros de diseño
Como parámetros principales de diseño de ventilación, se considera: la densidad del aire (dm), el coeficiente de fricción (K), y la presión de ventilación natural (Pvn).Para el siguiente caso en estudio, la densidad promedio del aire en la faena, incluida dentro de los antecedentes generales, es igual a 0.07 lbs/pie3; respecto a la presión de ventilación natural, ésta no se consideró relevante dado que la diferencia de cota entre portal rampa (superficie), con la cota de piso del nivelInferior de la mina (caserón base), es mínima; el coeficiente de fricción, K, se extrapoló de resultados obtenidos en campaña de mediciones en terreno, en faena de similares características a la mina del caso en estudio, siendo éste igual a 100 x 10-10 lbsxmin2/pie4.
Diseño del Sistema de VentilaciónSegún datos capturados del proyecto de explotación, más la experiencia en faenas de características similares, se propone implementar un Sistema de Ventilación Aspirante. Para dicho efecto, se planea la entrada de aire fresco -desde superficie- por medio de rampa de acceso principal, la cual estará conectada a cada uno de los subniveles comprometidos en cada caserón a explotar; la extracción del aire contaminado, se propone realizarla por medio de una chimenea vertical (chimenea de extracción general), desde el nivel más profundo de la mina, hasta superficie.La inyección de aire fresco hacia los diferentes subniveles de perforación, se deberá forzar mediante la utilización de sistemas de ventilación auxiliar (ventilador auxiliar + ductos flexibles).En cuanto al ventilador extractor requerido, éste se deberá instalar en el nivel más profundo de la mina (en estocada que conecte dicho nivel, con la chimenea de extracción general), de tal modo de generar con la operación de esta unidad ventiladora, el siguiente circuito: el aire fresco entrará -por depresión- por el portal de la rampa desde superficie, recorrerá (en forma descendente) toda la extensión de ésta, pasará por el ventilador, para ascender por la chimenea de extracción general, hasta superficie.
Creación de diagrama equivalente de ventilaciónEl trazado del diagrama equivalente de ventilación para el circuito explicitado en párrafo anterior, estará compuesto centralmente por la rampa de acceso, que es, además, la vía principal de inyección de aire fresco a la mina; más, la estocada de conexión nivel inferior con chimenea de extracción general (lugar en que deberáSer instalado el ventilador); más, la chimenea de extracción general conectada con superficie.
Creación de archivo de datosDeberá extraerse de planos de explotación, la sección, perímetro y longitud de la rampa principal; para el caso de la estocada en nivel inferior de la mina, deberá asumirse una longitud de 10 m. y una sección, mínima, de 4.5 x 4.5 m., y, para la chimenea de extracción, una longitud de 200 m. y 3.5 m. de diámetro.Se deberá utilizar un coeficiente de fricción único para todas las galerías, igual a 100x10-10 lbsxmin2/pie4.La presión de ventilación natural, para el presente caso estudiado, se considera irrelevante.
Modelamiento del sistema de ventilación
Una vez preparado el archivo de datos, es posible modelar el sistema (utilizando -para este efecto- uno de los diversos software de equilibrio de redes de ventilación, existente en el mercado), imponiendo, en la rama que representa a la estocada en que se instalará el ventilador, un caudal de aire igual a 160000 pie3/min.
En el presente caso estudiado, el proceso de simulación entregó como resultado final, el siguiente punto de operación del sistema:
Caudal (Q) = 160000 (pie3/min)
Caída de presión estática (Ps) = 5 (Pulg. de Agua)
Dimensionamiento propuesto
De acuerdo al punto de operación del sistema, obtenido de proceso de simulación, se propone instalar un ventilador, extractor, de tipo axial, dentro de
estocada ubicada en nivel inferior de la mina. Dicha unidad ventiladora, deberá operar en el siguiente punto de operación:
Q = 160000 pie3/min; Ps = 5 Pulg. De Agua
NOTA: Se deberá especificar el punto de operación (Q v/s Ps) del ventilador axial requerido de instalar, de manera tal que, proveedores coticen la unidad ventiladora -con potencia de motor eléctrico correspondiente- que satisfaga tal punto; la especificación en cuestión, deberá incluir la altura geográfica en dónde se instalará dicho equipo.
