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 - N 2 78,0975,53 Oxígeno - O 2 20,9523,14 Anh. Carbónico - CO 2 0,030,046 Argón y otros0,931,284

Respiración humana INHALACION DE OXIGENO Y AIRE EN LA RESPIRACION HUMANA ACTIVIDAD REPOSOMODERADAMUY VIGOROSA Ritmo respiratorio por minuto, Aire inhalado por respiración m 3 /seg. x 10 3, Oxígeno consumido en m 3 /seg. x 10 -6, 4,7033,0447,20 Cuociente respiratorio "CR", 0,750,901,00

Efectos de falta de Oxigeno EFECTOS DE LA DEFICIENCIA DE OXIGENO. Contenido de OxígenoEfectos 17 % Respiración rápida y profunda. Equivale a 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 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= 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) GASFUENTEEFECTOLPP 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 (CO 2 ) Incoloro, sabor ácido y sin olor Descomposición orgánica, Tronadura, cualquier combustion Sofocamiento, Aceleración respiratoria 4000 (7.200) Anhídrido Sulfuroso (SO 2 ) Incoloro, Irritante, olor sulfuroso fuerte TronaduraAtaca (H 2 SO 4 ) mucosas de ojos, nariz y garganta. 1,6 (4)13 Ácido Sulfhídrico (H 2 S) 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 (N x O y ) (NO 2 ) Rojizo, insípido y sin olor Tronadura ANFO y Combustión Diesel Ataca (HNO 3 ) tejidos pulmonares, puede tener efecto retardado 25- Metano( CH 4) ) Incoloro, insípido y sin olor Natural de yacimientos de Carbón Sofocante, Explosivo (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/m 3 LPA = 0,4 mgr/m 3

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.

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 Geotérmica Se 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/100m  Menos de 1000 m de profundidad: 3ºC/100m  1000 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 Térmica 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 (Q d ) Q d > Q k (1-LPP)/(LPP-C k ) Q d =Caudal m 3 /seg Q k = Influjo de contaminantes en m 3 /seg C k = Concentración del contaminante en la entrada de aire a la mina

Ejemplo Datos: Gas Metano Q k = 0,12 m3/s; C k = 0,1%; LPP Metano = 1% Caudal necesario para diluir el metano:  Q d > Q k (1-LPP)/(LPP-C k )  Q d >0,12(1-0,01)/(0,01-0,001)  Q d > 0,12 x 0,99/0,009 = 13,2 m3/s

Caudal de Aire para Acondicionar Balance de Calor: (Calor α masa y Δtº  α a Q y ºK) Masa fría + Masa Caliente = Masa mezcla Qc = Q f (t m – t e )/(t c -t e ) Q c = Caudal aire calentado Q f = Caudal aire frío t m = Temperatura final de la mezcla (ºC) t e = Temperatura de entrada del aire no acondicionado (ºC) t c = Temperatura del aire calentado (ºC) 32ºC > Temperatura de la mezcla > 2ºC ideal 24ºC

Cantidad de Aire para Consumir Caudal para consumir (Q C )  Respiración humana: Q c > N x 3 (m 3 /min) = N x 0,05 (m 3 /s) N = Cantidad de personas en la mina  Combustión Motores: Q c > HP x 2.83 (m 3 /min) = HP x 0,05 (m 3 /s) HP = Cantidad de HP del motor diesel

Cantidad de Aire para Mover Caudal para Mover(Q M )  Velocidad Mínima: Q M > V min x A V min = Velocidad Mínima para “brisa” = 0,5 (m/s) A = Area (m 2 )  Velocidad Máxima: Q M > V max x A V max = Velocidad Máxima con personas = 2,5 (m/s) A = Area (m 2 )  Caudal de Renovación: (recintos cerrados) Q M > Nr x R / 3600 (m 3 /s) Nr = Cantidad de renovaciones de aire por hora (1/hra) R = Volumen del recinto (m 3 ) Arrastre polvo: usar V = 1 m/s

Explosivos en minas metalicas 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 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 Legislación minera Chile 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