UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

(1)

TESIS

PRESENTADO POR

BACH

^.

QUISPE OBREGON DENIS EMERSON

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE MINAS

HUANCAYO – 2019

VENTILADORES PRINCIPALES Y SU INFLUENCIA EN EL SISTEMA DE VENTILACIÓN DE LA ZONA PABLO EN LA UNIDAD

MINERA PALLANCATA – AYACUCHO, AÑO 2019

(2)

ASESOR

DR. AURELIO JUÁREZ TORRES

(3)

DEDICATORIA

A mis amados padres Alejandro y Seferina, por su apoyo incondicional y fortaleza.

A mis hermanos y familiares por su confianza y apoyo incondicional.

(4)

AGRADECIMIENTO

A los docentes de la Especialidad de Ingeniería de Minas – Universidad Nacional del Centro del Perú, por darme la oportunidad de desarrollar el presente Trabajo de Investigación.

A la Consultora NOOVA S.A.C. e Ing. Guido Fonttis por su gran apoyo en los Proyectos de Ventilación y compañeros de trabajo.

A mi asesor Dr. Aurelio Juárez Torres y jurados por guiarme en la elaboración del presente Trabajo de Investigación.

A los ingenieros de la Unidad Minera Pallancata, especialmente al Ing. de ventilación Jorge Claverías, ya que, gracias al soporte brindado y la información facilitada, el Trabajo de Investigación fue desarrollada de manera exitosa.

(5)

RESUMEN

En esta investigación, se desarrolla la evaluación del sistema de ventilación de la zona Pablo mediante la instalación de ventiladores principales utilizando un modelo 3D desarrollado en el software Ventsim Design 5; planteándose como problema general: ¿Cómo influye la instalación de ventiladores principales extractores en el sistema de ventilación de la zona Pablo?, siendo el objetivo general: Determinar si la instalación de ventiladores principales extractores influyen en el sistema de ventilación de la zona Pablo, teniendo como hipótesis general, La selección e instalación de ventiladores principales extractores garantiza la cobertura y cubre la demanda de aire en el sistema de ventilación de la zona Pablo. En cuanto al tipo de investigación es aplicada de nivel descriptiva. La población de estudio está constituida por todas las labores de la zona Pablo, siendo la muestra no probabilística que está constituida por las los puntos de monitoreo de la zona Pablo. Los resultados de la simulación de definen por etapas: Corto plazo (06 meses) se elige la alternativa 1 como la más viable con la conexión de la chimenea RC 04 a superficie y el requerimiento de aire a corto plazo 𝑄𝑇𝑜 = 421,208 𝑐𝑓𝑚), ingreso de aire (𝑄𝑖 = 444,038 𝑐𝑓𝑚) con cobertura de aire al 𝐶𝑜𝑏. = 105%; a mediano plazo (02 años) se elige la alternativa 4 como la más viable con la proyección del RC 04 el requerimiento de aire a mediano plazo (𝑄_𝑇𝑜 = 461,208 𝑐𝑓𝑚), ingreso de aire (𝑄_𝑖 = 480,848 𝑐𝑓𝑚) con cobertura de aire al 𝐶𝑜𝑏. = 104%.

Palabras clave: Ventiladores principales, Sistema de ventilación.

(6)

ABSTRACT

In this research, the evaluation of the ventilation system of the Pablo area is developed by installing main fans using a 3D model developed in the Ventsim Design 5 software; posing as a general problem: How does the installation of main extractor fans influence the ventilation system of the Pablo area? The general objective being: Determine if the installation of main extractor fans influence the ventilation system of the Pablo area, having Considering as a general hypothesis, the selection and installation of main extractor fans guarantees coverage and covers the air demand in the ventilation system of the Pablo area. Regarding the type of research, it is applied at a descriptive level. The study population is made up of all the tasks in the Pablo zone, the non-probabilistic sample being made up of the monitoring points in the Pablo zone. The results of the simulation of definition by stages: Short term (06 months) alternative 1 is chosen as the most viable with the connection of the RC 04 chimney to the surface and the short-term air requirement QTo = 421,208 cfm), air inlet (Qi = 444,038 cfm) with air coverage to the Cob. = 105%; In the medium term (02 years), alternative 4 is chosen as the most viable with the projection of RC 04, the medium-term air requirement (QTo = 461,208 cfm), air intake (Qi = 480,848 cfm) with air coverage at the Cob. = 104%.

Keywords: Main fans, Ventilation system.

(7)

ÍNDICE GENERAL

CAPITULO I ... 17

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 17

1.1. Definición del problema ... 17

1.2. Formulación del problema ... 18

Problema general ... 18

Problemas específicos ... 18

1.3. Objetivos de la investigación ... 18

Objetivo general ... 18

Objetivos específicos ... 18

1.4. Justificación ... 19

1.5. Delimitación ... 19

CAPITULO II ... 20

MARCO TEÓRICO ... 20

2.1. Antecedentes ... 20

2.2. Bases teóricas ... 21

Ventiladores principales ... 23

Sistemas de ventilación ... 27

2.2.2.1. Tipos de ventilación de minas ... 30

2.2.2.2. Diseño de una labor de ventilación ... 31

2.2.2.3. Circuitos de ventilación. ... 31

2.2.2.4. Planeamiento del sistema de ventilación ... 34

2.2.2.5. El aire ... 35

2.2.2.6. Oxigeno (O2) ... 35

2.2.2.7. La atmósfera de la mina ... 36

2.2.2.8. Normativa legal en Minería ... 37

2.2.2.9. Psicrometría ... 38

2.2.2.10. La primera ley Kirchhoff (Ley de continuidad) ... 39

2.2.2.11. Segunda ley de Kirchhoff (Ley De Circulación) ... 40

2.2.2.12. Técnica de Hardy Cross... 41

2.2.2.13. Factor de fugas en una manga ... 42

(8)

2.2.2.14. Resistencia de un conducto ... 42

2.2.2.15. Presiones de una mina ... 43

2.2.2.16. Pérdida de presión por Fricción ... 44

2.2.2.17. Factor de pérdida por choque ... 44

2.2.2.18. Formula de Atkinson ... 45

2.2.2.19. Factor de fricción ... 46

2.2.2.20. Software de ventilación ... 48

2.2.2.21. Ventsim Design™5... 49

2.3. Definiciones de términos ... 49

2.4. Formulación de la Hipótesis ... 50

Hipótesis general ... 50

Hipótesis específicas ... 50

2.5. Variables ... 50

2.6. Operacionalización de las variables ... 51

CAPITULO III ... 52

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 52

3.1. Método de investigación ... 52

3.2. Tipos y niveles de investigación ... 52

Tipo de investigación ... 52

Nivel de investigación ... 52

3.3. Diseño de investigación ... 52

3.4. Población y muestra ... 53

Población ... 53

Tamaño muestral ... 53

3.5. Técnicas de recolección de datos ... 53

Técnica ... 53

Instrumento ... 53

3.5.2.1. Levantamiento de información (Ventilación) ... 53

3.5.2.2. Medición en ventiladores ... 56

3.5.2.3. Monitoreo de gases ... 59

3.6. Técnica y análisis de datos ... 60

Análisis de velocidades, temperaturas y gases por niveles operativos... 60

(9)

Cálculo del requerimiento de aire actual ... 62

3.6.2.1. a) Caudal requerido por el número de trabajadores (𝑸𝑻𝒓) ... 62

3.6.2.2. b) Caudal requerido por el consumo de madera (𝑸𝑴𝒂) ... 63

3.6.2.3. c) Caudal requerido por temperatura en las labores de trabajo (𝑸𝑻𝒆) ... 64

3.6.2.4. d) Caudal requerido por equipo con motor petrolero (𝑸𝑬𝒒) ... 65

3.6.2.5. e) Caudal requerido por fugas (𝑸𝑭𝒖) ... 67

3.6.2.6. Caudal requerido de aire global actual (𝑸𝑻𝒐) ... 67

Cálculo del requerimiento de aire proyectado ... 68

Balance y cobertura de ventilación actual ... 68

Ventiladores ... 69

3.6.5.1. Inventario de ventiladores ... 69

3.6.5.2. Consumo y costo por ventilación ... 69

3.6.5.3. Ficha técnica de ventiladores... 69

Cálculo de resistencia en los tapones ... 71

Cálculo del factor de fricción K ... 72

Cálculo de la densidad del aire húmedo ... 72

Secciones típicas de las labores ... 73

Elaboración del modelo 3D Ventsim ... 74

3.6.10.1. Modelamiento y caracterización ... 74

3.6.10.2. Calibración del modelo 3D Ventsim ... 76

Simulación de flujo de aire en situación actual - Ventsim ... 79

3.6.11.1. Resumen de la red... 79

3.6.11.2. Curva de resistencia de la mina ... 80

Diagnóstico del sistema de ventilación. ... 81

CAPITULO IV ... 83

PRESENTACIÓN, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 83

4.1. Presentación de resultados ... 83

Optimización del sistema de ventilación actual. ... 83

Diseños de Proyectos por etapas. ... 83

Corto plazo: Diseño de eje RB 03 Y RC 04 ... 86

4.1.3.1. Alternativa 1 – corto plazo ... 87

(10)

Mediano plazo: (07) niveles de Profundización ... 97

4.1.4.1. Alternativa 1 – mediano plazo ... 97

4.2. Análisis de resultados ... 115

Análisis de velocidades, temperaturas y gases por etapas ... 115

Simulación de explosivos por etapas ... 116

Viabilidad y análisis económico de alternativas por etapas ... 119

4.3. Discusión de resultados ... 121

4.4. Prueba de hipótesis ... 122

4.5. Aportes de la investigación ... 126

CONCLUSIONES ... 127

RECOMENDACIONES ... 128

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 129

ANEXOS ... 131

ANEXO A. MATRIZ DE CONSISTENCIA DEL PROYECTO DE TESIS. ... 132

ANEXO B. LEVANTAMIENTO DE INFORMACIÓN (VENTILACIÓN) ... 133

ANEXO C. CONSUMO DE ENERGÍA Y COSTO POR VENTILACIÓN... 136

ANEXO D. ISOMÉTRICO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ACTUAL ... 137

ANEXO E. ISOMÉTRICO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN A CORTO PLAZO ... 138

ANEXO F. ISOMÉTRICO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN A MEDIANO PLAZO. ... 139

(11)

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 Curva característica del ventilador. ... 25

Figura 2 Curvas características para (02) ventiladores conectados en serie... 26

Figura 3 Curvas características para (02) ventiladores conectados en paralelo. ... 27

Figura 4 Ventilación impelente. ... 28

Figura 5 Ventilación aspirante. ... 29

Figura 6 Ventilación auxiliar combinada. ... 30

Figura 7 Diagrama y esquema de un circuito en serie. ... 32

Figura 8 Resistencias conectadas en paralelo. ... 34

Figura 9 Primera Ley de Kirchhoff. ... 40

Figura 10 Segunda Ley de Kirchhoff. ... 41

Figura 11 La curva de resistencia del sistema para una galería... 42

Figura 12 Curva de resistencia de la mina. ... 43

Figura 13 El factor de fricción en función de e/d. ... 48

Figura 14 Ubicaciones transversales en un conducto rectangular. ... 54

Figura 15 Regla lineal de registro para puntos transversales en ventiladores. ... 55

Figura 16 Medición de velocidades en estaciones secundarias (EVS)... 56

Figura 17 Medición de parámetros eléctricos de un ventilador... 57

Figura 18 Medición de velocidades en ventilador auxiliar impelente. ... 58

Figura 19 Medición de presiones (SP, VP y TP) en un ventilador auxiliar. ... 58

Figura 20 Concentración de gases CO en labores de producción y avances. ... 59

Figura 21 Análisis de velocidades por niveles de operación. ... 60

Figura 22 Análisis de temperaturas por niveles de operación. ... 61

Figura 23 Análisis de gases CO en niveles operativos. ... 62

(12)

Figura 24 Curva de operación del ventilador V150-01. ... 70

Figura 25 Medición de parámetros para determinar la resistencia de un tapón. ... 71

Figura 26 Importación de DXF al software Ventsim. ... 74

Figura 27 Modelo de sólidos en Ventsim. ... 75

Figura 28 Modelo 3D en el software Ventsim. ... 77

Figura 29 Convergencia de ingresos de aire campo vs. Ventsim. ... 78

Figura 30 Convergencia de estaciones secundarias. ... 79

Figura 31 Curva de resistencia de la mina. ... 81

Figura 32 Análisis de recirculación de aire. ... 82

Figura 33 Vista longitudinal de los Proyectos a corto y mediano plazo. ... 84

Figura 34 Curva Ventilador TOMOCORP de 150 kcfm – Servicios Mina. ... 85

Figura 35 Isométrico - eje de ventilación proyectado RC 04 – RB 03... 86

Figura 36 Vista de 02 ventiladores de 150 kcfm instalados en superficie (RC 04). ... 87

Figura 37 Curva de 02 ventiladores de 150 kcfm en superficie (RC 04). ... 88

Figura 38 Vista de la instalación de 02 ventiladores al pie del RC 04. ... 90

Figura 39 Curva de 02 ventiladores de 150 kcfm al pie del RC 04. ... 91

Figura 40 Labores principales de la zona Pablo. ... 93

Figura 41 Labores principales de ventilación, corto plazo – Alternativa 04. ... 95

Figura 42 Diseño de la Alternativa 01 a mediano plazo. ... 97

Figura 43 Curva de operación Ventiladores 150,000 cfm cabeza RC 04. ... 98

Figura 45 Curva de operación Ventiladores 150 kcfm pie RC 04. ... 102

Figura 46 Diseño de la Alternativa 03, mediano plazo. ... 105

Figura 47 Curva de operación Ventiladores 150,000 cfm pie RC 04. ... 106

(13)

Figura 49 Curva de operación Ventiladores 150 kcfm pie RC 04. ... 110

Figura 50 Selección del diámetro óptimo RB 04. ... 114

Figura 51 Análisis de velocidades por etapas. ... 115

Figura 52 Análisis de temperaturas por etapas. ... 116

Figura 53 Simulación de explosivos actual. ... 117

Figura 54 Simulación de explosivos Alt. 01 a corto plazo... 118

Figura 55 Simulación de explosivos Alt. 04 a mediano plazo. ... 119

(14)

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Parámetros de ambiente. ... 22

Tabla 2 Parámetros de operación. ... 22

Tabla 3 Métodos de explotación utilizados. ... 23

Tabla 4 Composición del aire seco. ... 35

Tabla 5 Límites de exposición ocupacional. ... 37

Tabla 6 Fórmulas psicrométricas. ... 38

Tabla 7 Factores de fricción estándar. ... 47

Tabla 8 Operacionalización de variables. ... 51

Tabla 9 Requerimiento por trabajadores (QTr). ... 63

Tabla 10 Requerimiento por temperatura en las labores de trabajo. ... 65

Tabla 11 Lista y requerimiento de aire por equipos con motor petrolero. ... 66

Tabla 12 Distribución porcentual de requerimiento de aire por equipos. ... 67

Tabla 13 Caudal requerido por fugas. ... 67

Tabla 14 Requerimiento total de aire... 68

Tabla 15 Balance y cobertura de aire. ... 68

Tabla 16 Cálculo de factor de fricción. ... 72

Tabla 17 Factores de fricción “K” típicas para la zona Pablo. ... 72

Tabla 18 Secciones típicas de las labores. ... 73

Tabla 19 Configuraciones de Ventsim. ... 76

Tabla 20 Resumen del Sistema Actual. ... 80

Tabla 21 Resumen de la red – Corto plazo, Alternativa 01. ... 89

(15)

Tabla 25 Resumen del sistema – mediano plazo, Alternativa 01. ... 99

Tabla 26 Resumen de Potencia – mediano plazo, Alternativa 01. ... 100

Tabla 27 Flujo de inversión Alt. 01. - Mediano plazo. ... 100

Tabla 28 Resumen del sistema – mediano plazo, Alternativa 02. ... 103

Tabla 29 Resumen de potencia – mediano plazo, Alternativa 02. ... 104

Tabla 31 Resumen del sistema – mediano plazo, Alternativa 03. ... 107

Tabla 32 Resumen de potencia – mediano plazo, Alternativa 03. ... 108

Tabla 34 Resumen del sistema – mediano plazo, Alternativa 04. ... 111

Tabla 35 Potencia instalada a mediano plazo, Alternativa 04. ... 112

Tabla 36 Costos unitarios de excavación por avance lineal y volumétrico. ... 113

Tabla 38 Análisis económico y viabilidad de alternativas a corto plazo. ... 120

Tabla 39 Análisis económico y viabilidad de alternativas a mediano plazo. ... 121

(16)

INTRODUCCIÓN

La ventilación de minas juega un rol muy importante dentro de las operaciones mineras, ya que consiste en el suministro de aire fresco por toda una red de circuitos de ventilación y extracción de aire viciado. Rutinariamente las operaciones dentro de una mina subterránea van en crecimiento y a la vez, ventilar se hace dificultoso, en las labores de desarrollo y explotación en donde se concentran gases tóxicos producto de la voladura de rocas, equipos con motor petroleros y otros. Estos gases tóxicos, deben ser evacuadas hacia superficie cíclicamente. Es por ello, que es de vital importancia ventilar una mina, usando técnicas de ventilación adecuadas que evacuen el aire viciado en menos tiempo, que impliquen menos costo de inversión y operación. En gran parte los programas computacionales y la automatización evitan pérdidas económicas, tiempo y riesgo. La investigación se inició de la siguiente manera: Se realizó el levantamiento de ventilación, medición de ventiladores, monitoreo de gases; luego el procesamiento de datos para obtener el análisis de velocidades y temperaturas utilizando el software Microsoft Excel. Adicional se procedió con la elaboración de un modelo 3D Ventsim para las simulaciones por etapas y sus alternativas, se planteó como problema general: ¿Cómo influye la instalación de ventiladores principales extractores en el sistema de ventilación de la zona Pablo Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019?, siendo el objetivo general: Determinar si la instalación de ventiladores principales extractores influyen en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019, teniendo como hipótesis general, La selección e instalación de ventiladores principales extractores garantiza la cobertura y cubre la demanda de aire en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019.

En cuanto al tipo de investigación es aplicada de nivel descriptiva. La población de estudio está constituida por todas las labores de la zona Pablo, siendo la muestra no probabilística, la muestra son los puntos de monitoreo estratégicos de la zona Pablo. Los resultados de la simulación de definen por etapas: Corto plazo (06 meses) se elige la alternativa 1 como la más viable con la conexión de la chimenea RC 04 a superficie y el requerimiento de aire a corto plazo 𝑄𝑇𝑜 = 421,208 𝑐𝑓𝑚), ingreso de aire (𝑄𝑖 = 444,038 𝑐𝑓𝑚) con cobertura de aire al 𝐶𝑜𝑏. = 105%; a mediano plazo (02 años) se elige la alternativa 4 como la más viable con la proyección de 07 niveles de profundización y proyección del RC 04el requerimiento de aire a mediano plazo (𝑄_𝑇𝑜 = 461,208 𝑐𝑓𝑚), ingreso de aire (𝑄_𝑖 = 480,848 𝑐𝑓𝑚) con cobertura de aire al 𝐶𝑜𝑏. = 104%.

(17)

CAPITULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. Definición del problema

La ventilación de minas subterráneas cumple un rol fundamental dentro de las operaciones mineras, ya que gracias a esta disciplina se encausan grandes volúmenes de aire fresco en toda la mina, permitiendo que el ciclo de minado se desarrolle de manera productiva. Es así que, para el presente Proyecto, se define la zona Pablo de la Unidad Minera Pallancata, cuya producción de mineral aporta en 70%, método de explotación corte y relleno ascendente técnica de perforación por taladros largos, escala mediana minería. La zona Pablo está constituido por (09) niveles operativos: NV 4280, 4296, 4306, 4322, 4338, 4354, 4370, 4386 y 4402.

Además, se tiene como proyecto de ventilación el desarrollo del RC 04 hacia el NW con un avance actual de 150 m desde el NV 4370 de la “zona Pablo”, cuya finalidad será la extracción del aire viciado.

El sistema de ventilación actual está conformado, por los siguientes ejes: El ingreso principal de aire fresco es por el RB 01 (tiro natural) de la zona Pablo, la extracción de aire viciado es por el RC 02 (ventilador de 150,000 cfm) de la zona Pablo y el RB 05 (ventilador de 120,000 cfm) de la zona “Yurika” (convencional). Por tanto, el caudal de ingreso de aire fresco actual es 227,655 cfm, caudal requerido según el ANEXO 38 del D.S. N° 024-2016-EM y su modificatoria es 421,208 cfm, teniendo un déficit de 193,553 cfm que representa una cobertura de aire del 56%.

Estas condiciones incumplen con la serie de estándares y aspectos establecidos dentro de la normativa legal peruana D.S. N° 024-2016-EM (Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería) y su modificatoria D.S. N° 023-2017-EM.

La deficiente ventilación en la zona Pablo radica en el déficit de aire, cuyas consecuencias son: Bajas velocidades de aire, acolchonamiento de gases tóxicos

(18)

(CO, CO2 y NO2), temperaturas que superan los valores permisibles (> 23 °C), evacuación lenta de aire viciado, cuales dificultan el ciclo de minado con baja productividad en la zona Pablo y en ocasiones paralizando algunas labores de desarrollo y explotación.

1.2. Formulación del problema Problema general

¿Cómo influye la instalación de ventiladores principales extractores en el sistema de ventilación de la zona Pablo Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019?

Problemas específicos

i) ¿Cómo influye la construcción de chimeneas hacia superficie en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019?

ii) ¿Cómo el levantamiento de información influye en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019?

iii) ¿Cómo los tapones, puertas y reguladores influyen en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019?

1.3. Objetivos de la investigación Objetivo general

Determinar si la instalación de ventiladores principales extractores influyen en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019.

Objetivos específicos

i) Determinar si la construcción de chimeneas hacia superficie en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019.

ii) Determinar si el levantamiento de información influye en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019.

iii) Determinar si los tapones, puertas y reguladores influyen en el sistema de ventilación de la zona Pablo en la Unidad Minera Pallancata – Ayacucho, año 2019.

(19)

1.4. Justificación a) Teórica

Esta investigación se realiza con el propósito de aportar al conocimiento existente sobre la instalación de los ventiladores principales como parte fundamental en la cobertura de una demanda de aire en un sistema de ventilación, cuyos resultados podrán enfocarse en una propuesta, para ser incorporado a la ingeniería en ventilación subterránea, ya que se estaría demostrando que el uso adecuado de los ventiladores principales mejora las condiciones de un sistema de ventilación.

b) Práctica

Esta investigación se realiza porque existe la necesidad de cubrir la demanda de aire y mejorar las condiciones del sistema de ventilación de la zona Pablo con la instalación de los ventiladores principales.

c) Metodológica

La instalación de ventiladores principales en los sistemas de ventilación para la cobertura de aire requerido se indaga mediante métodos científicos, situaciones que pueden ser investigadas por la ciencia y norma legal D.S. N° 024-2016-EM y su Modificatoria D.S. N°

023-2017-EM, una vez que sean demostrados su validez y confiabilidad podrán ser utilizados en otros proyectos de investigación e instituciones.

1.5. Delimitación a) Teórica

Se realizará el estudio integral del sistema de ventilación en la zona Pablo.

b) Espacial

El trabajo de investigación a realizarse, está ubicada en la región Ayacucho, Provincia de Parinacochas, distrito de Coronel Castañeda en la Unidad Minera Pallancata.

c) Temporal

El periodo de desarrollo es dos meses.

(20)

CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

Tesis “Influencia de los ventiladores en el sistema ventilación de la mina Kazán de la Compañía Minera Paraíso” Indica la problemática analizando los tipos de ventilación y mejorar la ventilación dentro de la zona de explotación minera con la implementación de los ventiladores; metodología: El método de la investigación es descriptivo comparativo porque ayuda determinar las características de los fenómenos observados detalladamente; como resultados determina los parámetros eléctricos y mecánicos de un ventilador principal con una potencia eléctrica total del ventilador es de 359 Kw, para el ingreso del aire a una presión total y a la altura de trabajo (1730 msnm) por lo que la potencia calculada es a la altura de trabajo, uso de dos (02) ductos de ventilación en paralelo para el ingreso de caudales requeridos.

Ingeniería de Minas - Perú (2012), Proyecto “Optimización del sistema de ventilación en una mina de gran altura, Compañía minera Raura S.A.” la problemática es una mina con 50 años de explotación se han desarrollado cerca de 200 km en tunelería con aproximadamente 200 chimeneas entre niveles y a superficie generando un sistema complejo de ventilación; Objetivos: La redistribución por circuitos, desarrollo de chimeneas de hasta 4 m de diámetro por circuito y la adquisición de ventiladores capaces de suministrar un caudal total aproximado de 700 m3/s. Este proyecto integra el uso de herramientas avanzadas de simulación computacional con análisis teórico y experimental y se desarrolla en tres etapas:

diagnóstico, optimización e implementación. En el diagnóstico se determina el estado actual de la ventilación con mediciones en campo de flujo de aire, condiciones ambientales y de operación de los ventiladores. En la optimización se evalúan las diferentes alternativas de redistribución del flujo y de la ubicación de las nuevas chimeneas y ventiladores. En estas dos

(21)

etapas se utiliza el software Ventsim Visual Avanzado para la simulación de los circuitos de ventilación y complementando con ANSYS CFX para la simulación de patrones complejos de flujo. La etapa de implementación se encuentra en desarrollo y se espera que termine a finales de 2012; Discusiones y conclusiones: Se presentó un procedimiento estructurado para el mejoramiento del sistema de ventilación de una mina basado en 3 conceptos: la mejora de las condiciones actuales, la redistribución del aire en la mina por circuitos y la construcción de una chimenea principal de gran diámetro (4m) de 600 m longitud con el fin de centralizar la distribución de aire en una troncal principal de ventilación.

Tesis “Diseño y simulación de red de ventilación con el software Ventsim visual en la Unidad Minera San Rafael MINSUR S.A.” Indica la problemática de que en la unidad minera es necesario cubrir la demanda de aire fresco, ya que el flujo de aire no es efectiva y adecuado;

los objetivos: desarrollar el diseño y simulación de la red de ventilación eficaz, cumpliendo con la cobertura de aire mediante la instalación de ventiladores en el proceso productivo de mina, aprovechando el uso del Software Ventsim Visual en la unidad minera San Rafael; La metodología de investigación es Analítico-Explicativo, durante el desarrollo de la tesis, se analizó las variables independiente y dependiente como son: caudal de aire, temperatura, presiones de aire, dimensiones de labores. Respecto a los resultados, se ha simulado e instalado un ventilador axial de 100,000 cfm y 3 ventiladores auxiliares de 5,000 cfm logrando un ingreso 1,382,781 cfm con un requerimiento de 1,302,214 cfm con ello se ha obtenido una cobertura de aire de 103 % en campo y 106 % con el software, entonces para distribución de aire se ha considerado 05 proyectos de raise boring (RB), que fortaleció la circulación de 179,045 cfm a la zona alta y baja, con una temperatura promedio de 22.8 °C. Además, la simulación nos permitió direccionar el flujo de aire e identificar las obstrucciones de los ventiladores.

2.2. Bases teóricas

- Ubicación y acceso: La Unidad Minera Pallancata, se ubica en el departamento de Ayacucho, provincia de Parinacochas, distrito de Coronel Castañeda. A 520 km al sur de la ciudad de Lima, a 180 km al SW de Cuzco y 240 km al NE de Arequipa, a una altitud promedio de 4500 m.s.n.m., situada en la sierra sur del Perú, cuya coordenada WGS 84, zona 18 L: Norte: 8 369 448,55; Este: 696 220,49.

(22)

- Parámetros de ambiente

Tabla 1

Parámetros de ambiente.

Temperatura seca 19 °C

Temperatura húmeda 12 °C

Presión barométrica (promedio)

605.7 hPa (NV 4306)

Humedad relativa 83%

- Parámetros de operación

Tabla 2

Parámetros de operación.

Cota Promedio 4524 m.s.n.m.

Sistema de minado Mecanizado

Método de minado y avance OCF y taladros largos

Perforación Electrohidráulica con Jumbo

Limpieza Scooptrams de 4 y 6 yd3, diésel

Número de guardias 02/día

Horario de trabajo Turno "A" 9:00 am - 7:00 pm Turno "B" 9:00 pm - 7:00 am Personal que ingresa a mina por

guardia 164

Número de equipos diésel 35

Potencia nominal, total equipos

diésel 8861 HP

Número de disparos 02/día

tiempos de

ventilación

después de la voladura

Turno "A" 01:45 hrs (7:15 - 9:00 am)

Turno "B" 01:45 hrs (7:15 - 9:00 pm)

(23)

Tipo de explosivo Emulsión Velocidad mínima del aire permitida 20 m/min

Velocidad máxima del aire 250 m/min (tránsito) Producción de

mineral (estimado)

Diaria 2600 TMS

Mensual 78000 TMS

Nota: Jefatura de Servicios Mina – Unidad Minera Pallancata.

- Métodos de explotación: Para la explotación de las reservas minerales de la veta explorador Pablo y en función a las características geológicas de las estructuras mineralizadas y la caracterización geomecánica de las rocas encajonantes, se ha seleccionado los siguientes métodos de minado:

Las características principales de los métodos de minado seleccionados se detallan en la Tabla 3.

Tabla 3

Métodos de explotación utilizados.

Método de minado Dimensiones de block

Ancho (m) Altura (m) Longitud (m) Subniveles ascendentes con relleno

cementado 6 12 >12

Banqueo y relleno o "Bench and Fill" >2 y < 12 12 Max: 35m

Corte y relleno semimecanizado < 2 2 >80

Nota: Jefatura de Planeamiento – Unidad Minera Pallancata.

Ventiladores principales

(Zitron, 2010), explica: “Un ventilador es una máquina que transmite energía a un fluido (aire o gases), produciendo el incremento de presión necesario (presión total) con la que logra mantener un flujo continuo de dicho fluido”. (pág. 7)

a) Ventilador centrífugo

(24)

Ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble. Son ventiladores de flujo radial. La trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. (Zitron, 2010, págs. 7,8)

b) Ventilador axial

En (Zitron, 2010). “El ventilador axial es de diseño aerodinámico. Este tipo de ventilador consiste esencialmente en un rodete alojado en una envolvente cilíndrica o carcasa. La adición de álabes-guía, detrás del rotor, convierte al ventilador turbo-axial en un ventilador axial con aletas guía”. (pág. 10)

Puede funcionar en un amplio rango de volúmenes de aire, a presiones estáticas que van de bajas a moderadamente altas y es capaz de desarrollar mayores presiones estáticas que el ventilador centrífugo a la vez que es mucho más eficiente. Los rotores, en la succión o en la descarga, se han añadido para enderezar el flujo del aire fuera de la unidad a la vez que sirven de apoyo en el diseño.

c) Curva característica del ventilador

La curva característica del ventilador indica el punto de funcionamiento del mismo. Para cada ángulo de regulación de los álabes se obtendrá una curva distinta. El punto de corte de la curva del ventilador con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador, (Po,Qo), ver Figura 1.

Realmente, tendremos definido con este punto la resistencia equivalente de la mina, o lo que es lo mismo, el orificio equivalente:

(25)

Figura 1

Curva característica del ventilador.

Nota: (Zitron, 2010, pág. 29)

d) Acoplamiento de ventiladores

Cuando es necesario disponer de caudales o presiones con grandes variaciones, puede resultar conveniente acoplar equipos de manera que trabajando en conjunto o bien separados proporcionen los requerimientos de aire en una labor o ubicación específica.

las exigencias. En caso, las variaciones necesarias sean discretas puede bastar un único ventilador con un sistema de regulación, pero cuando sean precisas unas capacidades muy elevadas, hay que recurrir a un sistema de acoplamiento de equipos, tanto en serie como en paralelo.

▪ Trabajo en serie de 2 ventiladores

La curva característica para la combinación se obtiene simplemente sumando las presiones individuales de los ventiladores para cada valor de caudal.

El caudal total de dos ventiladores iguales, instalados en serie y que giran con igual número de revoluciones, es mayor que cada caudal parcial, pero, siempre inferior a la suma de los caudales del trabajo individual. Es decir, Q < IT < Qi Q3 =2xQ; Para una resistencia dada, como podemos ver en el gráfico adjunto, un solo ventilador podría trabajar en un punto próximo al bombeo, en cambio, al acoplarle otro ventilador, se puede observar que (PT, QT), está bastante alejado del régimen inestable, ver Figura 2. (McPherson, 2016, pág. 330)

𝑅𝑐= 𝑃₀ 𝑄02

(26)

Figura 2

Curvas características para (02) ventiladores conectados en serie.

Nota: (McPherson, 2016, pág. 331)

▪ Trabajo en paralelo de 2 ventiladores

Se suman los caudales para una presión de ventilador determinada a fin de obtener la curva característica combinada.

Cuando dos ventiladores trabajan en paralelo, forman un sistema que estará caracterizado por la curva resultante de la suma las abscisas de sus curvas características individuales. Si sólo uno de los ventiladores trabajase, su punto de funcionamiento sería distinto, con una presión más baja y con un caudal de aire mayor, (PT1, QT1), ver Figura 3 (pág. 332)

(27)

Figura 3

Curvas características para (02) ventiladores conectados en paralelo.

Sistemas de ventilación a) Ventilación impelente

En (Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007). “El aire entra al frente del fondo de saco a través de la tubería, impulsado por ventiladores, y desplaza la masa de aire viciado hacia la corriente principal de aire, a través de la galería. Este es el sistema predominante usado en la mayoría de las minas”.(pág. 223)

(28)

Figura 4

Ventilación impelente.

Nota: (Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007, pág. 223)

b) Ventilación aspirante

En este método, el aire contaminado del frente es succionado a través del conducto debido a la caída de presión creada por el ventilador.

(29)

Figura 5

Ventilación aspirante.

c) Ventilación combinada (aspirante - impelente)

(Jiménez Ascanio, 2011) “Es la combinación de ambos sistemas, donde el aire fresco se inyecta por ductos hacia una labor y simultáneamente se evacua el aire viciado”. (pág. 162)

(30)

Figura 6

Ventilación auxiliar combinada.

2.2.2.1. Tipos de ventilación de minas Existen dos tipos: Tiro natural y mecánica.

a) Ventilación natural

“El proceso que causa la ventilación natural se debe a la transferencia de calor (variaciones de la densidad del aire) y diferencias de elevación en el entorno subterráneo”.

(McPherson, 2016)

La P.V.N. (Presión de ventilación natural) depende de la diferencia entre el nivel de las labores subterráneas y de la superficie, y de la diferencia de temperatura del aire en el interior de la mina y en el exterior. Generalmente, cuanto mayor son estas diferencias, mayor será el caudal de aire inducido.

b) Ventilación mecánica

“La ventilación mecánica es ocasionada por la presión que ejerce un ventilador sobre una masa de aire que envía o succiona aire. Se emplean los ventiladores para forzar la caída de presión y cubrir los requerimientos de aire en las áreas restringidas de las minas subterráneas”. (Jiménez Ascanio, 2011, pág. 76)

(31)

▪ Ventilación principal: Es cuando el flujo principal de aire se encauza por todo el circuito de ventilación de la mina, inyectando el aire por ramales o evacuando.

▪ Ventilación secundaria: Es cuando se eleva la presión de ventilación en un circuito principal por la escasez de flujo de aire, el cual ha resultado demasiado resistente al ventilador principal debido a su extensa longitud, curvaturas o reducción de áreas.

▪ Ventilación auxiliar: Es cuando se traslada aire mediante ventiladores y ductos para las chimeneas, para los tajos, para los frentes de avance, especialmente para lugares confinados.

2.2.2.2. Diseño de una labor de ventilación

Para determinar la sección óptima que debe tener una labor que será usada exclusivamente para ventilación, se deben considerar los siguientes costos:

i) Costos de operación (energía).

ii) Costos de capital (inversión en el desarrollo de la labor).

(Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007)

2.2.2.3. Circuitos de ventilación.

En ventilación de minas hay dos tipos de combinación de conductos por donde circula el aire y son flujos en serie a través de galerías en línea y flujos en paralelo a través de galerías en bifurcaciones hacia paralelo y ambas se acoplan una después de la anterior formando una red, la cual tiene que ser calculada en volúmenes y resistencias para conocer la resistencia o estática total de la red para solicitar el ventilador adecuado. (SERNAGEOMIN, 2008)

Una mina mecanizada fundamentalmente se compone de combinación de circuitos tanto en serie como en paralelo formando una red compleja.

a) Circuitos en serie

Según, (Jiménez Ascanio, 2011): “Este circuito tiene las siguientes relaciones: el volumen total de aire es el mismo a través de todo el circuito desde que ingresa el aire a la mina hasta que sale de ella”, es decir:

𝑄_𝑡= 𝑄₁= 𝑄₂ = 𝑄₃= 𝑄₄= ⋯ (1)

(32)

La resistencia total es igual a la suma de las pérdidas o resistencias de cada una de las galerías por donde viaja el flujo, esto es:

𝐻_𝑡 = 𝐻_𝑓1 + 𝐻_𝑓2 + 𝐻_𝑓3 + 𝐻_𝑓4 + ⋯ (2)

La relación que hay entre Ht y el volumen Qt del flujo que viaja es igual a RQ2 y podemos decir entonces que:

𝐻_𝑡= 𝑅𝑄²= 𝑅₁𝑄²₁+ 𝑅₂𝑄²₂+ 𝑅₃𝑄²₃ ; (3)

𝐻_𝑡= 𝑄²(𝑅₁+ 𝑅₂+ 𝑅₃+ 𝑅₄+ ⋯ ) (4)

Pero como todos los volúmenes son iguales podemos escribir que:

𝑅_𝑡 = 𝑅₁+ 𝑅₂+ 𝑅₃+ 𝑅₄+ ⋯ (5)

En circuitos en serie los requerimientos de fuerza o energía eléctrica son altos, para un determinado volumen, porque los HP para trasladar el peso del aire son acumulativos.

(Jiménez Ascanio, 2011, págs. 99,101)

Figura 7

Diagrama y esquema de un circuito en serie.

Nota: (Yanes, 2007)

b) Circuitos en paralelo

Es cuando el flujo o volumen total de aire es distribuido o dividido en varias galerías, niveles. Según (Jiménez Ascanio, 2011). “Es cuando el flujo pasa por galerías en paralelo, o

(33)

galerías que se bifurcan el volumen total es la suma de los volúmenes que pasa por cada ramal”. (pág. 100)

𝑄_𝑡 = 𝑄₁+ 𝑄₂+ 𝑄₃+ 𝑄₄+ ⋯ (𝐴) (6) La caída de presión es la misma a través de cualquier ramal o galería, o sea:

𝐻_𝑡 = 𝐻₁= 𝐻₂= 𝐻₃= 𝐻₄= ⋯ (7)

Pero sabiendo que H = RQ2, se puede decir que la H, se puede hallar conociendo la R y el Q sin necesidad de usar la fórmula de resistencia y de lo anterior se puede decir también que:

𝑄_𝑇 = √𝐻₁

𝑅₁+ √𝐻₂

𝑅₂+ √𝐻₃

𝑅₃+ √𝐻₄

𝑅₄+ ⋯ (8)

Pero como:

𝐻𝑡 = 𝐻1= 𝐻2= 𝐻3= 𝐻4 = ⋯ (9)

Se tendrá que:

1

√𝑅= 1

√𝑅1+ 1

√𝑅2+ 1

√𝑅3+ 1

√𝑅4… (10)

Se dice que cada R o resistividad involucra a las características de cada galería o conductos de los cuales se quiere conocer sus resistencias, con datos obtenidos en el mapeo de campo que permiten calcular las resistencias de estos conductos. Si la estática es la misma o constante.

𝐻_𝐿= 𝐻_𝐿1= 𝐻_𝐿2… (11)

𝑄 = √𝑃_𝐿

𝑅 𝑜 𝑄 = √𝑃_𝐿1

𝑅₁ (12)

Y se puede escribir o decir que:

𝑄 = 1

√𝑅 𝑦 𝑄₁= 1

√𝑅1 (13)

Y si estas igualdades se dividen se tendrá que:

𝑄 𝑄₁=

1

√𝑅1

(14)

donde Q1 es igual a:

(34)

𝑄 = 𝑄_𝑥 = 1

√𝑅1

(15)

Que es una de las relaciones que indica que conocidas las características o resistividad de las galerías R1 y R el volumen Q que se quiere distribuir, se puede hallar el volumen que pasará por Q1. Y el valor de R lo obtenemos de la fórmula:

𝑅 =𝐾𝑃_𝑒𝑟(𝐿 + 𝐿_𝐸)

5.2𝐴² (16)

Ecuación, en la que se tienen todos los datos que se han obtenido en el mapeo de mina y que ahora sirven para hallar las resistencias por cálculos y poder distribuir el volumen principal por diferentes ramales conforme exigen las operaciones. (Jiménez Ascanio, 2011, págs. 100,101)

Figura 8

Resistencias conectadas en paralelo.

2.2.2.4. Planeamiento del sistema de ventilación

El planeamiento de ventilación de una mina deberá necesariamente ser compatible y estar con el método de explotación empleado” (McPherson, 2016)”. El diseño del sistema de ventilación comprende:

▪ Determinar el caudal de aire requerido en las áreas de trabajo.

▪ Evaluar los requerimientos de caudal de aire para las zonas de desarrollo, talleres de mantenimiento.

▪ Indicar los caudales de estimados en un plan de mina.

(35)

▪ Evaluar la resistencia R, de cada ramal a lo largo de las rutas principales de ventilación.

▪ Determinar la caída de presión por fricción H, para cada ramal principal, e indicarlas en el plan de la mina.

▪ Comenzando por la entrada de una conexión de admisión desde la superficie, trazar un camino a lo largo de las galerías de admisión hacia los laboreos más distantes, a través de esos laboreos, y regresar a la superficie a través de las galerías de retorno. Sumar las caídas de presión por fricción alrededor del recorrido completo. Este ejercicio se repite para un número de tales recorridos, de modo que se incorporen varias áreas de trabajo. El bucle que muestre la mayor suma de caídas de presión de fricción dará una aproximación de la presión del ventilador principal requerida para ventilar la mina.

2.2.2.5. El aire Tabla 4

Composición del aire seco.

Gas % en

volumen

% en masa

Nitrógeno - N2 78.09 75.53

Oxígeno - O2 20.95 23.14

Anhídrido carbónico - CO2 0.03 0.046

Argón y otros 0.93 1.284

(Yanes, 2007) “El aire normal es aire húmedo, con contenido de vapor de agua que varían de 0,1 % a 3 % en volumen (en las minas generalmente excede el 1%). Para cálculos, se considera que el aire normalizado tiene una densidad media de 1.2 kg/m3”. (pág. 1)

2.2.2.6. Oxigeno (O2)

Es el gas presente en el aire que sustenta la vida y la combustión. Es incoloro, inodoro, insípido y ligeramente más pesado que el aire. El hombre respira mejor y trabaja más fácilmente cuando el aire contiene alrededor de 21% de oxígeno, que es la cantidad que

(36)

contiene la atmósfera al nivel del mar. Sin embargo, cuando el contenido de oxígeno baja hasta 16 % (a 1atm de presión), muchas personas tienen dificultades para respirar. (Yanes, 2007, pág. 5)

2.2.2.7. La atmósfera de la mina

Según, (Zitron, 2010) “El aire al ser introducido al ambiente subterráneo, sufre cambios y se necesitan técnicas para hacer que el aire sea respirable”. (pág. 59)

a) Monóxido de carbono (CO)

Según, (Zitron, 2010) “Resulta de la combustión incompleta del carbono. Es altamente toxico, incoloro, inodoro, insípido y es combustible. Se detecta con detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Suele aparecer por rozamientos, calentamientos, explosiones o cualquier proceso en el que falte el oxígeno”. (pág. 59)

b) Gases nitrosos (NO+NO2)

Según, (Zitron, 2010) “Son gases que raramente se presentan separados NO+NO2.

Los gases nitrosos se generan producto de la voladura de rocas. Son tóxicos y pueden llegar a producir la muerte por edema pulmonar. Son de color pardo rojizo (en elevadas proporciones) y de olor acre. Se utilizan los tubos colorimétricos para detectarlos”. (pág. 60)

c) Dióxido de carbono (CO2)

Según, (Zitron, 2010) “Es el resultado final de la combustión completa del carbono. Es un gas asfixiante, incoloro, es soluble en el agua, tiene un sabor y un olor (en altas concentraciones) ligeramente ácido, es incombustible y pesa más que el aire. Para su detección se usa la lámpara de seguridad, detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos”. (pág. 60)

d) Anhídrido sulfuroso (SO2)

Según, (Zitron, 2010) “Se produce por la combustión de compuestos de azufre. Es toxico, puede producir edemas pulmonares muy graves y quemaduras en ojos y piel. Es un gas incoloro con un olor picante y a -10º C (10 bajo cero) es líquido. Detección por medio de tubos colorimétricos”. (pág. 61)

(37)

e) Polvo en suspensión

Según, (Zitron, 2010) Se origina debido al movimiento de vehículos y equipos en interior mina, perforación y voladura de rocas, rellenos, corriente de ventilación alta. (pág. 61)

2.2.2.8. Normativa legal en Minería

En el subcapítulo Ventilación, según las disposiciones establecidas en el reglamento de seguridad y salud ocupacional en minería (D. S. Nº 024-2016- EM) y su modificatoria (DS N° 023-2017-EM), la ventilación en toda labor minera deberá estar sujeta al requerimiento de aire en cantidad y calidad, de acuerdo a las necesidades de los colaboradores, de los equipos petroleros, consumo de madera, temperatura de ambiente en las labores, fugas y consumo de explosivo para evacuar los gases, humos y polvo suspendido que pudieran afectar la salud del colaborador, así como para mantener condiciones termo ambientales confortables. Todo sistema de ventilación en la actividad minera, en cuanto se refiere a la calidad del aire, la calidad del aire deberá mantenerse dentro de los límites de exposición ocupacional (ANEXO N° 15) para agentes químicos, (ver Figura 5):

Tabla 5

Límites de exposición ocupacional.

Polvo inhalable 10 mg/m3 Polvo respirable 3 mg/m3

Oxígeno 19.5-22.5%

Dióxido de carbono 5000 ppm

Monóxido de

carbono 25 ppm

Metano 5000 ppm

Gases nitrosos

(NO2) 3-5 ppm

Gases nitrosos (NO) 25 ppm Anhídrido sulfuroso 2-5 ppm

Hidrógeno 5000 ppm

Nota: (Ministerio de Energía y Minas, 2016)

(38)

2.2.2.9. Psicrometría

En (Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007). “Rama de la ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad sobre los materiales y las condiciones del confort humano. Incluyendo métodos para controlar las propiedades de aire húmedo”.

a) Temperatura efectiva en mina

Permite medir el grado de bienestar que experimenta el cuerpo humano en ciertas condiciones de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire circulante.

La temperatura máxima medida en el termómetro de bulbo húmedo, en el interior de la mina no deberá exceder los 30 °C, con una duración de la jornada de trabajo de ocho horas, y deberá disminuirse la jornada de trabajo de ocho horas, y deberá disminuirse la jornada a 6 horas si dicha temperatura se eleva a 32 °C.

(Tbh máx.) Admisible = 32 °C, (Tbh) recomendada ≤ 27 °C, En las minas se recomienda que la temperatura seca menos la temperatura húmeda debe ser (Tbs-Tbh) ≥ 2 °C. (Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007)

Tabla 6

Fórmulas psicrométricas.

Presión de vapor

saturado (T °C) 𝑃_𝑣𝑠 6.112𝑒(17.502𝑇𝑏ℎ 240.97+𝑇𝑏ℎ⁄ ) Pa Presión de vapor 𝑃𝑣 𝑃𝑣𝑠 − 9(𝑃𝑏𝑎𝑟 − 𝑃𝑣𝑠)(𝑇𝑏𝑠 − 𝑇𝑏ℎ)

13792 − 11.7 ∗ 𝑇𝑏ℎ Pa

Densidad del aire

seco 𝜌𝑎.𝑠. 𝑃𝑏𝑎𝑟 − 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

287.1 ∗ 𝑇𝑏𝑠 kg/m3

Densidad del

vapor de agua 𝜌_𝑣 𝑃𝑣

461.5 ∗ 𝑇𝑏𝑠) kg/m3

Densidad del aire

húmedo 𝜌𝑎.ℎ. 𝜌𝑎.𝑠.+ 𝜌𝑣 kg/m3

Humedad relativa 𝐻𝑅 ( 𝑃𝑣

𝑃𝑣𝑠 ∗ 𝑇𝑏𝑠)) ∗ 100 %

Contenido de

humedad 𝑤 622 ( 𝑃𝑣

𝑃𝑏𝑎𝑟 − 𝑃𝑣)) ∗ 100 gr/kg

(39)

Porcentaje de

humedad 𝑃𝐻 (𝑃𝑣

𝑃𝑣𝑠) (

𝑃𝑏𝑎𝑟 − 𝑃𝑣𝑠

𝑃𝑏𝑎𝑟 − 𝑃𝑣 ) 100 %

Temperatura de

rocío 𝜌𝑟 24097𝑙𝑛 ( 𝑃𝑣

611.2) /(17.502 − 𝑙𝑛 𝑃𝑣

611.2) °C

Nota: (Castro Meza, 2015)

b) Humedad relativa

En (Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007). “Es el cociente en la humedad absoluta y la cantidad máxima de agua que admite el aire por unidad de volumen, en condiciones de saturación”.

c) Termómetro de bulbo húmedo

(Castro Meza, 2015) se indica, que: Es un termómetro de mercurio que tiene el bulbo envuelto en un paño de algodón empapado de agua. Al proporcionarle una corriente de aire, el agua se evapora más o menos rápidamente dependiendo de la humedad relativa del ambiente, enfriándose más cuanto menor sea ésta, debido al calor latente de evaporación del agua.

d) Termómetro de bulbo seco

Temperatura de bulbo seco o temperatura seca es el valor obtenido mediante un termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco. (Castro Meza, 2015), indica que: “El termómetro debe ser de mercurio con un rango de escala de 5 °C a 50 ºC y una precisión de +/- 0.5 ºC”.

2.2.2.10. La primera ley Kirchhoff (Ley de continuidad)

La primera ley de Kirchhoff para redes de ventilación de minas establece que el flujo de masa que entra a una unión es igual al flujo de masa que deja esa unión o, matemáticamente,

∑ 𝑀

𝑗

= 0

(40)

Donde M son los flujos de masa, positivos y negativos, que entran a la unión j.

Como recordaremos 𝑀 = 𝑄𝜌 … 𝑘𝑔/𝑠

En los sistemas de ventilación subterránea, la variación en la densidad del aire en torno a cualquier unión simple es despreciable, dando

∑ 𝑄

𝑗

= 0 𝑄₁+ 𝑄₂= 𝑄₃+ 𝑄₄

Representación de la primera Ley de Kirchhoff (ver Figura 9).

Figura 9

Primera Ley de Kirchhoff.

Nota: Hartman, L. (2001)

2.2.2.11. Segunda ley de Kirchhoff (Ley De Circulación)

Según, (McPherson, 2016, pág. 195). “La segunda ley Kirchhoff, en forma análoga establece que la suma algebraica de las caídas de presión alrededor de una trayectoria cerrada, o malla, en la red debe ser cero, habiendo tomado los efectos de la presión de ventilación y de los ventiladores”. (pág. 195)

∑ 𝐻 = 0 𝐻_𝑡 = 𝐻_𝑎+ 𝐻_𝑏+ 𝐻_𝑐

Representación de la primera Ley de Kirchhoff, ver Figura 10.

(41)

Figura 10

Segunda Ley de Kirchhoff.

Nota: Hartman, L. (2001)

2.2.2.12. Técnica de Hardy Cross

(McPherson, 2016), indica que: “El método más utilizado más ampliamente en los programas computacionales para el análisis de redes de ventilación fue originalmente creado para los sistemas de sistemas de distribución de agua”. (pág. 208)

Utilizando la Ley cuadrática 𝐻 = 𝑝 = 𝑅(Q)², casos limitantes, variaciones para una galería, considerando las leyes de Kirchhoff y parámetros de flujo turbulento, se obtiene la ecuación de Hardy Cross.

∆𝑄𝑚 =∑(𝑅𝑄𝑎|𝑄𝑎^𝑛−1| − 𝑝𝑓 − 𝑛𝑣𝑝)

∑(𝑛𝑅|𝑄𝑎^𝑛−1| + 𝑆𝑓 + 𝑆𝑛𝑣) Donde:

Pf y nvp son las presiones del ventilador y las presiones de ventilación natural, respectivamente, que existen dentro de la malla.

Sf y Snv son las pendientes de las curvas características H, Q de los ventiladores y de los efectos de ventilación natural.

Snv suele tener el valor de cero, es decir, se asume que los efectos de natural son independientes del flujo de aire.

(42)

Figura 11

La curva de resistencia del sistema para una galería.

2.2.2.13. Factor de fugas en una manga

(Yanes, 2007) menciona que: “Cuando se trabaja con ventilación auxiliar se presenta fugas, inicialmente, dependen de las propias características del ducto, pero ha de tenerse en cuenta que estas tuberías están instaladas en un sistema dinámico”. Es decir, al mismo tiempo que se aporta aire están trabajando en el frente, por lo que es muy frecuente que se vean deterioradas con el paso del tiempo. El caudal final considerando las fugas se calcula con la siguiente ecuación:

𝑄_{𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙} = 𝑄 ∗ (1 − 𝐹

100)^−𝐿/100 Donde:

Qfinal: Caudal de descarga del ventilador axial (m3/s).

Q: Caudal requerido en el frente de trabajo (m3/s).

L: Longitud equivalente del ducto (m).

F: Factor de fuga del ducto otorgada por el fabricante (%).

2.2.2.14. Resistencia de un conducto

(Capítulo de Ingenieros de Minas (CIP), 2007). “Es directamente proporcional a su (R α L) y la rugosidad de sus paredes, de manera que lograr superficies lisas o simplemente

(43)

mantener las galerías limpias de escombros permite un ahorro considerable en los costos operativos del sistema de ventilación”.

2.2.2.15. Presiones de una mina

(Castro, 2007), indica: “Para determinar la magnitud de la presión artificial es necesario sumar algebraicamente las presiones componentes de los elementos de un circuito de una red de ventilación”. Esta presión se denomina generalmente presión total de la mina y se representa.

𝑃𝑡(𝑚𝑖𝑛𝑎) = 𝑃𝑠(𝑚𝑖𝑛𝑎) + 𝑃𝑣(𝑚𝑖𝑛𝑎) (17)

Figura 12

Curva de resistencia de la mina.

Nota: Castro, R (2007)

a) Presión estática (Ps)

(Castro, 2007), indica: “Algunas personas la denominan “presión explosiva”, lo cual ayuda a visualizarla debido a que la presión estática es la presión ejercida por el aire en las paredes del ducto, la cual tiende a forzarlas a expandirse”. Es la cantidad total de energía necesaria para vencer las pérdidas de presión de un ducto.

𝑃𝑠 = 𝑃𝑝 = 𝑃𝑓 + 𝑃𝑥; 𝑃𝑎

b) Presión de velocidad (Pv)

(44)

(Castro, 2007), indica que: “La presión de velocidad se define como la presión resultante del movimiento del aire. Mientras más rápido se mueve el aire, o mientras mayor será la velocidad del aire y viceversa”. La presión de velocidad se mide con un Tubo de Pitot.

𝑃𝑣 =𝑣² 2𝑔 ; 𝑃𝑎

2.2.2.16. Pérdida de presión por Fricción

(Días Avalos, 2018), explica: “En ventilación de minas la pérdida de presión por fricción representa del 70 al 90% de la presión total de la mina, consiguientemente será muy útil determinar con la suficiente precisión utilizando los coeficientes apropiados”.

2.2.2.17. Factor de pérdida por choque

(McPherson, 2016) afirma que: “Las pérdidas por choque suelen estar referidas en términos de pérdida o caída de altura en la presión total, Pchoque, causada por la pérdida por choque”. (pág. 130)

Durante el mapeo principalmente se identifican bifurcaciones con cambio de dirección bastante alta, donde se pierde mayor cantidad de energía.

𝑃_{𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒}= 𝑋𝜌𝑣² 2 ; 𝑃𝑎 v= velocidad media del aire (m/s).

X= Factor de pérdida por choque (adimensional).

ρ = Densidad del aire (Kg/m3).

Una de las guías más completas para la selección de los factores X está contenida en el Manual de Fundamentos de ASHRAE.

Longitud equivalente

(McPherson, 2016), “suponga que en un conducto subterráneo de longitud L, hay una curva u otra causa de perdida por choque. La resistencia del conducto será mayor que la resistencia de ese mismo conducto si este no tuviera pérdida por choque”. (pág. 131). Se puede expresar esa resistencia adicional, Rchoque, en términos de la longitud correspondiente de conducto recto que tendría ese mismo valor de resistencia por choque.

𝑅 = 𝑘(𝐿 + 𝐿𝑒𝑞)𝑝𝑒𝑟 𝐴³

𝜌 1.2 ;

𝑁𝑠² 𝑚⁸

(45)

La resistencia debida a la pérdida por choque es 𝑅𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒 = 𝑘(𝐿𝑒𝑞)𝑝𝑒𝑟

𝐴³ 𝜌 1.2 ;

𝑁𝑠² 𝑚⁸

La relación entre el factor de pérdidas por choque X, y la longitud equivalente, Leq, se obtiene:

𝐿_𝑒𝑞=1.2𝑋 2𝑘

𝐴 𝑝𝑒𝑟; 𝑚

2.2.2.18. Formula de Atkinson

El valor de la resistencia (R) depende de ciertas características del conducto de ventilación o del ducto, por ejemplo, si uno de los conductos de aire cuenta con un área pequeña y otra grande todos los factores son constantes, el aire circula con mayor facilidad a través del segundo conducto de ventilación. Finalmente, si las paredes de un conducto son lisas y las de otro son ásperas y el resto de los factores son iguales, la resistencia del conducto liso será menor que la del conducto áspero, es decir, el “factor de fricción” depende de la naturaleza de la superficie del conducto de ventilación. (Jiménez Ascanio, 2011, págs. 89,91) La fórmula del Atkinson está expresada en términos de rugosidad en función al área por donde circula el aire.

𝐻 =𝐾𝐶𝐿𝑄² 𝐴³ ∗ 𝜌

1.2

H = Perdida de presión (Pa) C= perímetro (m)

L= longitud (m) A= área (m2)

Q= Flujo de cantidad (m3/s) K= Factor de fricción (Ns2/m8) ρ = Densidad del aire (Kg/m3)

(46)

2.2.2.19. Factor de fricción

(McPherson, 2016), indica: “La rugosidad de la superficie del revestimiento de una abertura subterránea tiene una influencia importante en la resistencia del conducto y, por lo tanto, en el costo de pasar cualquier flujo de aire dado”.

El valor del “K” de fricción será directamente proporcional a la rugosidad de una labor, es decir, a mayor rugosidad mayor valor de factor de fricción “K” y viceversa y simultáneamente las pérdidas de energía por rugosidad.

El propósito principal del coeficiente de fricción, k, es facilitar la predicción de las resistencias de las galerías o conductos planificados, pero aún no construidos (Proyectos de ventilación).

Hay tres métodos principales para determinar el valor del factor de fricción apropiado.

a) Por analogía con conductos similares 𝑘1,2= 𝑃

𝑄² 𝐴³ 𝐿 𝑝𝑒𝑟

1.2 𝜌 ; 𝑘𝑔

𝑚³

⁄ Se determina mediante pruebas en campo.

b) A partir de las tablas de diseño

(47)

Tabla 7

Factores de fricción estándar.

Nota: (McPherson, 2016)