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DR. Felipe CalizayaConsultor Intercade
VENTILACION DE MINASNIVEL INTERMEDIO - AVANZADO
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VENTILACION SUBTERRANEA
Principios Fundamentales Introduccin
Mediciones y Evaluacin.
Control por Ventilacin.
Reconocimiento del Problema.
Conceptos Bsicos
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INTRODUCCION
La ventilacin es y debe ser parte esencial en laoperacin de una mina.
Si no hay ventilacin no hay produccin.
El aire no puede ser desperdiciado en laboresabandonadas.
Es necesario controlar las fugas de aire.
Una vez contaminado, el aire viciado debe ser expulsadoinmediatamente.
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CONCEPTOS BASICOS DE VENTILACION
Leyes de Ventilacin
Circuitos de Ventilacin
Ecuacin Bsica de Energa. Ecuacin de Atkinson.
Leyes de Kirchhoff. Circuitos en Serie y Paralelo. Circuitos Complejos.
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CONTAMINANTES DEL AIRE
Contaminantes en Minas Metlicas
Contaminantes en Minas de Carbn
Productos de Diesel, polvo grueso y respirable. Metano y sulfuro de hidrgeno.
Humo y productos de Diesel (holln). Gases txicos, polvo grueso y respirable. Calor y radiacin.
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MONITOREO Y EVALUACIONHoy, detectores electrnicos son utilizados.
Detectores de Gases: Detectores Mltiples (ITX Multi-gas). Detectores Individuales (MSA Mini- Responder). Otros (Detectores Drager, etc.)
Detectores de Polvo: Detectores ESCORT (Incluye: Una bombilla de aire,
filtro y cicln, una microbalanza).
Todos estos instrumentos deben ser calibrados.
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CONTROL DE CONTAMINANTES POR VENTILACION
Ventilacin Mecnica Ventilacin Primaria usando Ventiladores. Ventilacin Auxiliar.
Otros Mtodos y Ventilacin Drenaje de gas y ventilacin.
Ventilacin local. Refrigeracin del aire y ventilacin.
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LEYES DE VENTILACION
Ecuacin Bsica de Energa
Hf: Prdida por friccin (el ms importante!)
Ecuacin Modificada de Energa Prdidas de Energa
HX: Prdida por choque (obstrucciones)HV: Prdida por velocidad (dinmica)
Potencia del Aire
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QUE ASUMIMOS? El aire es un fluido incompresible
Razonamiento:
Leyes de Mecnica de fluidos pueden ser usadas directamente
Las ecuaciones son simples.
La densidad del aire no cambia con elevacin.
Para minas de profundidad moderada (< 500 m) laexactitud de clculos es aceptable.
Slo minas profundas requieren de otros clculos.
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ECUACION BASICA DE ENERGIA
HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL
=++ hPV
g 111
2
2
Lhg hPV +++
2
22
2
2
12
LTh1 h2Referencia
P1 A1 V1P2 A2 V2
W
Equation de Bernoulli:
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HV1 + HS1 + = HV2 + HS2 + hL
ECUACION MODIFICADA DE ENERGIA
HV1 + HS1 + HZ1 = HV2 + HS2 + HZ2 + hL
Ecuacin de Bernoulli (en presin absoluta):
Un aumento de 70 pies en elevacin aumenta Hz en 1 deH2O y disminuye la presin baromtrica Hs, en otrapulgada.
Donde: HV1= Energa dinmica, HS1 = Energa esttica, HZ1= Energa potencial.
Convencin: Omita Hz y use presin manomtrica.
Ecuacin Modificada:
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ECUACIONES UTILES DEL AIREPeso Especfico
Nmero de Reynolds:
Presin de Velocidad:
Pb = Presin Baromtrica, lb/p2
R = 53.35 lb/lb R
V = velocidad, p/s; D = diam, p;
Hv = Presin de Velocidad, pulgadas de H2O; V = Velocidad, p/min
2
1098*
=
VwH
v
TR
Pw b
*= ( )RTZww /exp12 =
Temp. absoluta = 460 + td
Z = Elevacin, pies (p)
DVDV
NR **6250*
==
= 1.6 E-4 p2/s
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CAIDA DE PRESION POR FRICCION
Ecuacin de Darcy:
Ecuacin de Atkinson:
D V
1 2
L
= coeficiente de friccin
D
VLwH l
*2
*** 2=
(1)
En Ecuacin 1 haga D = 4A/Per, V = Q/A, y k = *w/8
Ecuacin de Atkinson
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2
3
2
2.5
*** Q
A
LPerkQRhL ==
ECUACION DE ATKINSON
Donde:hL = Cada de presin, pulg. de agua ( H2O)R = Resistencia del ducto, pulg.-min2/p6 Q = Caudal de aire, p/m; = Velocidad * Areak = Factor de Friccin, lb-min2/p4
El coeficiente - k aumenta con la rugosidad del ducto y presencia de obstrucciones.
Para Unidad Internacional, cambie: K = k*1.855 E+6
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Cuadro 1. Valores del Coeficiente - k para Minas Metlicas (Estandarizados para el Nivel del Mar)
Descripcin del Ducto
Factor - klb-min2/ft4*E-10
Galera 0.00879 47.4Rampa 0.01158 62.4Pique (spero) 0.01126 60.7Pique (liso) 0.00466 25.1Galera de Banda 0.01399 75.4Galera de TBM 0.00440 23.7
Factor - KKg./m3
(Fuente: Prosser & Wallace, 1999, 8th US Mine Ventilation Symposium)
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Cuadro 2. Valores del Coeficiente - k para Minas de Carbn (Estandarizados para el Nivel del Mar)
Descripcin del Ducto
Factor - klb-min2/p4*E-10
Factor - KKg./m3
(Fuente: Prosser & Wallace, 1999, 8th US Mine Ventilation Symposium)
Galera de Entrada 0.00753 40.6
Galera de Salida 0.0072 47.0
Galera de Banda 0.01058 57.0
Galera Enmaderada 0.06781 365.5
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UNA GALERIA ES UN DUCTO DE VENTILACION
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Profundizacin de un Pozo
Sistema Compuesto
Qo = 32,000 p3/min
Ventilador(125 HP)
Ducto Rgido
V = 150 p/minA = 211 p2
Caudal Requerido
Ventilador(60 HP)
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DESARROLLO DE GALERIAS MULTIPLES
Qo = 40,000 p3/min
Entrada
Salida
Ventilador Secundario
Muro de Ventilacin
L2 = 150 m
20 mFrente 2
Rec
ort
e
Caudal: 100,000p3/min
Sistema de ventilacin usado para ventilar desarrollos largos (de varios km)
Fuga
Frente 1
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CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Ejemplo 1. Dado el siguiente sistema:
Solucin:
Determine: Hs, Q1 y Q2
d
a
D1 = 24 in, L = 800 ft
D2 = 30 in, L = 800 ft
D3= 36 in
L = 500 ft30 kcfm
bc
a - c 24 3.14 6.28 800 15 468.11Segmento D (in) A (ft2) Per (ft) L (ft) K *E-10 R *E-10
b - c 30 4.91 7.85 800 15 153.04c - d 36 7.07 9.43 500 15 38.49
Re= 100.4 E-10; Hs= 9.04in.wg; Q1=10.9 kcfm; Q2= 19.1 kcfm
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CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Ejemplo 2: Determine Re para la siguiente red:
8
7
6
13
12
9
1 11
2
5
Extractor
4
10
5
160.1
0.1
R = 0.1
3
0.3
0.20.1
0.1
0.4 0.3
0.30.2
0.2
0.3
0.1
R = Resistencia *E-10
Solucin: Re = 0.383 E-10
Si QT = 500,000 p3/min; He = 9.58 H2O
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CIRCUITOS COMPLEJOS
8
7
6
13
12
9
1
11
2
5
Extractor
4
10
5
160.1
0.1
R = 0.1
3
0.3
0.20.1
0.1
0.4 0.3
0.30.2
0.2
0.3
0.1
R = Resistencia *E-10
Determine: Re = ?
15
14
No esta en paralelo
Esta en paralelo
Tapones
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VENTILADORES PRIMARIOS
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Dr. Felipe Calizaya - [email protected] - Consultor IntercadeVENTILADOR PRIMARIO (TIPO CENTRIFUGO)
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ORCOPAMPA
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CALIDAD DEL AIRE EN MINAS SUBTERRANEAS
Introduccin.
Calidad del Aire en Minas Subterrneas.
Control de Contaminantes.
Contaminantes del Aire.
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INTRODUCCION
La calidad de aire en minas subterrneas es controladapor ventilacin mecnica.
El aire fresco es suministrado para diluir loscontaminantes slidos y gaseosos. El aire es tambinutilizado para controlar el calor.
El problema es como determinar el caudal mnimo deaire (requerido), Qo.
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Parajes
Mineral
Reservas
Entradas de Aire
Pozos
Ventiladores
Talleres
Salidas de Aire
Mineral
Aire Viciado = Aire Limpio + Contaminantes
Aire Viciado = Aire Limpio + Contaminantes
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Niveles de Trabajo en una Mina de Hundimiento
Nivel de Hundimiento
Produccin
Ventilacin
Reduccin
Transporte Por Camiones
Acceso Principal
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EQUIPOS DE TRABAJO
Martillo Picador
Pala de 14 yd3 de capacidad (475 HP de Potencia)
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Red de Ventilacin de una Mina de Carbn
Fren
te C
Muro
Ventilador
SalidaBanda
Entrada
q = 0.3M
0.3 M
1.0 M
R
R RH
un
dim
ien
to
R
1.0M
LW 2A
SalidaCaudal de gas Mp3/dReguladorFrente Largo
0.3MRLW
Salida Auxiliar
R
LEGENDAEntrada
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Sala de Control
Soporte HidrulicoExcavador Mecnico
Banda mvilBanda de
Transporte
Excavador Continuo de Frente Largo
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EXCAVADOR CONTINUO PARA FRENTES LARGOS
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ESTIMACION DE Qo
Qo es el caudal necesario para remover loscontaminantes de aire.
Esta estimacin es la parte ms emprica en el diseode un sistema de ventilacin.
Para determinar Qo es necesario saber:
Caudal de contaminantes emitidos (q). Concentraciones mximas permisibles (TLV).
(TLV = Threshold Limit Value)
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REQUERIMIENTOS DE AIRE FRESCO
Parte 57.22213: Para minas metlicas
Caudal mnimo por frente de trabajo: 6000 CFMVelocidad mnima en ltimo recorte: 40 FPM
Parte 75.22213: Para minas de carbn
Caudal mnimo en el ltimo recorte: 9000 CFMVelocidad mnima en el frente de trabajo: 60 FPM
Recomendacin: mantener velocidades > 150 FPM
(De acuerdo a MSHA de EE.UU.)
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ESTIMACION DE Qo
Una vez conocido el caudal de emisin de loscontaminantes, el volumen del aire puede ser calculadoutilizando la ecuacin de dilucin.
El problema es cmo determinar el caudal de emisin de los contaminantes (q).
BTLV
qQo
=
QoB
q (100%)Qo + qTLV
Qo = Caudal de aireB = Concentracin inicialq = Caudal del gas/ polvo
TLV = Lmite permisible
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BC
qQ o
=
ESTIMACION DE Qo
Este es el caudal mnimo de aire limpio que debe ser circulado por el tajo.
4x10-5 m3/s de SO2. Si el lmite permisible delgas es de 5 ppm, cul es el caudal requerido?
Ejemplo 1:
Solucin:
La oxidacin de sulfuros en un tope libera
q = 7 x10-5 m3/s C = 5ppm (= 5 x10-6); B = 0 Qo = 14 m3/s
(1)
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BC
qQ o
=
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CALIDAD DEL AIRE EN MINAS SUBTERRANEAS
Composicin del Aire
Lmites Permisibles (TLV)
Composicin por Masa o Volumen?
Estndares de MSHA
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COMPOSICION DEL AIRE
El aire qumicamente est compuesto de:
Nitrgeno: 78 % del volumen. Oxgeno: 21 % del volumen. Otros gases: 1 % del volumen.
Sin embargo, esta composicin vara a medida que elaire avance hacia los frentes de trabajo.
Factores: Migracin de gases de la roca y muchas reacciones qumicas.
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LIMITES PERMISIBLES (TWA- TLV)(Para ser usados como referencias solamente)
g/m3%
ppm
ppm
ppm
%
ppmUnidad
1Metano
10Sulfuro de Hidrgeno
Oxgeno, mayor a 19.5 %
400 160 Partculas de Diesel
5Dixido de Sulfuro
5Gases Nitrosos
0.5Dixido de carbono
50Monxido de carbonoMSHASustancia
TWA-TLV: Lmite permisible para un turno normal de 8 horas
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Fuentes Naturales:
Fuentes Artificiales
Fuentes de Contaminacin:
Metano en mantos de Carbn y dolomitas. Sulfuro de hidrgeno, en minerales piritosos.
Productos de Explosiones, CO, humo y polvo. Productos de Diesel (CO, NOx, DPM).
CONTAMINANTES DEL AIRE
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Gases en Estratos Mineralizados
Calor y Temperaturas Extremas
Gases y Partculas Slidas
CH4 y CO2 en mantos de carbn, dolomitas, etc. Radn en yacimientos de uranio.
Productos de voladura: incluyendo CO y Nox.
Productos de Diesel (Gases y DPM)
Polvo grueso y respirable.
CONTAMINANTES DEL AIRE
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GASES DE LA MINA
Gas Natural, CH4
Los gases son generados durante voladura.Son tambin producidos por equipos a Diesel.
Es producido por descomposicin de material orgnico.Es explosivo entre 5 15 %. Es mas liviano que el aire (= 0.55 kg/m3).
Gases comunes: CH4, CO2, CO, NOx, SO2
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GASES EN ESTRATOS MINERALIZADOSLos estratos contienen poros y fracturas llenos de gases(CH4 y CO2 ) a alta presin.
Durante el laboreo, estos gases son liberados y migran alos frentes de trabajo.
El caudal puede ser determinado en base a mediciones.En muchos casos, este es proporcional a la produccin.
Ejemplo 2: un manto contiene 8 m3 de gas/ton de mineraly la mina produce 7000 tpd. Cul es la emisin del gas?Solucin: q = 0.65 m3/s de gas.
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DRENAJE DE METANO DESDE
SUPERFICIE
Manto de Carbn
Frente
Gaseoducto
Mina Esmeralda, Mxico
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Monxido de Carbono, CO
Producido por oxidacin de materiales orgnicos y pormquinas de combustin interna. Es ms pesado que elaire ( = 1.8 kg/m3).
Producto de combustin incompleta de material orgnico(Diesel). Es producido tambin en incendios yexplosiones. Es el gas ms peligroso.
Dixido de Carbono, CO2
GASES DE LA MINA
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Acido Sulfhdrico, H2S
Producido por oxidacin de azufre, piritas y por mquinasde combustin interna. Es muy irritante enconcentraciones bajas.
Producido por accin de calor en sulfuros. Ocurre disueltoen agua ( = 1.4 kg/m3).
Dixido de Sulfuro, SO2
GASES DE LA MINA
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MAQUINAS A DIESELUna mquina a Diesel es preferida por su mejor seguridad, flexibilidad y alta productividad.
Pala de 13 ton: productividad 3600 tpd.
La combustin es incompleta. Parte del carbn esdescargado en forma de humo negro (holln).
En estas mquinas, el Diesel es quemado para producirenerga. En el proceso, el oxgeno es consumido ymuchos gases txicos generados.
Gases peligrosos: CO, y NOX
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Mquinas a Diesel
Lmites Aceptables en el Escape: CO: 1000 ppm NOX: 500 ppm
Las partculas de Diesel contienen sustancias que causan cncer
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Pala a Diesel Toro 1250
Precio: $506,000Qo: 17.7 m3/s
Capacidad: 9.5 yd3
Pala a Diesel en una Galera de
Produccin
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Evaluaciones de Gases de Escape
De vuelta al parajeAl taller de reparacinComentarios
Sin humoCon mucho humo a altas revoluciones
Humo
0 ppm1 ppmFormaloides354 ppm746 ppmNO + NO2
0 %2 %CO2
190 ppm2435 ppmCO
Mquina 2Mquina 1Productos de Diesel
ppm: partes por milln de volumen
MAQUINAS A DIESEL
El mantenimiento es la clave en la utilizacin de estas mquinas
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El polvo es producido durante perforacin y voladura,transporte, trituracin, etc.
POLVO EN LAS MINAS
Neumoconiosis incluye silicosis, asbestosis y otrasenfermedades pulmonares.
Es definido como una coleccin de partculas que estnsuspendidas en el aire.
El polvo, una vez aspirado, es retenido en los pulmones,resultando en neumoconiosis.
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Factores Crticos:NEUMOCONIOSIS
Lmites permisibles (TLV): 2 mg/m3 con < 5 % SiO2
Tipo de polvo (orgnico o inorgnico). Tiempo de exposicin (variable). Tamao de partculas (grueso o respirable).
Polvo respirable: menores a 5 micrones.
Concentracin del polvo (el ms crtico).
2%
10
2 +=
SiOTLVPara otros, este lmite es calculado de:
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CONTROL DEL POLVO
Mtodos:
Prevencin
Chisguetes de aguaChancadora
Camin pesado
Es mejor controlar el polvo antes que este llegue a formar parte del aire.
Supresin
Uso de Filtros
Dilucin (ventilacin)
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Ducto de aislamiento
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REQUERIMIENTOS DE AIRE EJEMPLOMtodo de Explotacin:
Hundimiento por bloques utilizando mquinas a Diesel
7801650Caudal Total
237
550
685
178
pc/m *103
112Talleres y otros
260Nivel de Reduccin
324Nivel de Produccin
84Nivel de Hundimiento
m3/sNivel de Trabajo(Produccin: 25,000 tpd)
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MONITOREO DE CONTAMINANTES
- Bombillas de aire y filtros - Micro-balanza
Instrumentos:
VC
W= mg/m3
Concentracin del Polvo, C:
Donde W = diferencia de pesos del filtroV = volumen del aire muestreado
Muestreo del Polvo
30
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Medir Polvo RespirableInstrumentos para
Bomba de Aire
Caset y Filtro
Cicln para polvo grueso
60
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MONITOREO DE CONTAMINANTES
- Detectores de gas- Detectores Mltiple (4 Gases)- Detector Drager (primario)
Instrumentos:
Precauciones:
Leer varias veces y mostrar el promedio.
Es necesario calibrar los instrumentos.
Muestreo de Gases
Concentracin del Gas:
Ejemplo: Monxido de Carbn, C = 65 ppm