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.
2.
3.
4.
5.
Prevención:
modificar operaciones o mejorar practica
Reducir formación de gases o polvo
Remover o eliminar
Limpiar labores
Depuración del aire con colectores de polvo
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
Contener o aislar (encerrar la fuente)
Tronadura aislada o con personal afuera
Encerramiento de operaciones generadoras de polvo
Sistema de aireamiento local
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
ACTIVIDAD
Ritmo respiratorio por minuto,
Aire inhalado por respiración
m3/seg. x 103,
Oxígeno consumido en m3/seg.
x 10-6,
Cuociente respiratorio "CR",
REPOSO
MODERADA
MUY VIGOROSA
12 - 1
30
40
5 - 13
46 - 59
98
4,70
33,04
47,20
0,75
0,90
1,00
CO2 exhalado
CR
O2 consumido
Efectos de falta de Oxigeno
EFECTOS 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
LPA
ppm (mgr / m3)
ppm (mgr / m3)
40 (46)
458
4000 (7.200)
54.000
Monóxido de Carbono (CO)
Incoloro, insípido y sin olor
Tronadura,
Combustión
incompleta, Escape
motores
Venenoso Desplaza
hemoglobina
Anhídrido Carbónico (CO2)
Incoloro, sabor ácido y sin olor
Descomposición
orgánica, Tronadura,
cualquier combustion
Sofocamiento,
Aceleración
respiratoria
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Temperatura del aire exterior
Calentamiento por compresión del aire durante descenso a la
mina
Temperatura de la roca
Procesos endotérmicos
Procesos exotérmicos
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.
k 1
T T0
H
kR
k (indice _ adiabatico) 1,41
R (cte _ gases ) 29,27
T T0 0,0098H
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
Humedad
relativa
Temperatura
seca
Velocidad
mínima
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 Acondicionar
Balance 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 > 2ºC
ideal 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
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%
GE
Q
Tf
Equipos Diesel
c
Q V
y
Q volumen _ requerido
V volumen _ gases _ motor
c concentración _ componente _ toxico (%)
y concentración _ max ima _ permitida
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
Q 2,83 HP
0, 27( kg / Kw) Kw *3000 m 3 / Kg * K
Q (m / s)
3600
K
3
0.45 : LHD
0, 3 : equipos _ c arg a _ desc arg a
0,15 : equipos _ transporte
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
0
