INDICE
Prólogo 4
Introducción: Importancia de la ventilación 7
Cómo se presentan los problemas de ventilación 9 Objeto de la ventilación – Conclusiones 9
CAPÍTULO I EL AIRE EN LAS MINAS 9 Composición del aire, presión barométrica, peso específico del aire OXÍGENO 18
Efectos fisiológicos, limite permisible causas de reducción Aparatos de detección y medida 19
NITRÓGENO 20
Propiedades, efectos fisiológicos, origen en los trabajos, Aparatos de detección y medida 23
MONÓXIDO DE CARBONO 21
Propiedades, efectos fisiológicos, valor límite permisible VLP origen en los trabajos mineros. Aparatos de detección y medida GAS CARBÓNICO 24
Propiedades, efectos fisiológicos, valor límite permisible VLP, origen en los trabajos mineros, Aparatos De detección y medida METANO O GRISÚ 26
Efectos fisiológicos, limites de inflamabilidad, presencia en el carbón, disposición reglamentaría y Valor límite permisible - VLP- en atmósferas bajo tierra, desprendimiento de metano (grisú) Desgasificación del grisú, lámpara de bencina seguridad (lámpara de Davis), manómetro, multidetector, otros aparatos GASES DIVERSOS 28
ACIDO SULFHÍDRICO Propiedades, efectos fisiológicos, valor límite permisible VLP, origen en los trabajos mineros Aparatos de detección y medida ÓXIDOS DE NITRÓGENO 32
Propiedades, efectos fisiológicos, valor limite de permisible VLP, origen en los trabajos mineros, detección y medida Aldehídos 34 Generalidades, efectos fisiológicos, origen.
CAPITULO II
HUMEDAD Y TEMPERATURA 35 Generalidades, humedad absoluta, humedad relativa o grado higrométrico, grado de saturación, mediciones de la humedad, el higrómetro de cabellos humanos, el psicrómetro, causas de elevación de la temperatura del aire de la mina. Medida de la temperatura en las minas. Influencia del clima en el cuerpo humano, humedad, temperatura y clima bajo tierra. Problemas relativos a la presión barométrica a diferentes alturas, humedad absoluta, humedad relativa (), determinación en una carta psicométrica, averiguación de la humedad relativa () por medio de un Nomograma, Cálculo de la humedad relativa () por medio de la fórmula de Sprung, medición de las temperaturas húmeda y seca, por medio del psicrómetro. Clima. Grado de Confort, grado de comodidad e incomodidad, necesidad de la desecación en una mina húmeda. Humidificación de una mina seca.
PROBLEMAS
CAPITULO III
CÁLCULOS DE VENTILACIÓN 29
Metas que debe reunir la ventilación, métodos de cálculo, cálculo de caudal de aire según el desprendimiento de metano (grisú), respiración del personal, animales, utilización de equipos accionados por combustible ACPM, uso de explosivos, otras condiciones. Definiciones y unidades empleadas en los cálculos de ventilación, flujos(Q), presiones(pt, pe, pd, H), potencia, otras magnitudes, flujo compresible no
viscoso, ecuaciones de movimiento: ecuación de continuidad, ecuación de estado, ecuación de velocidades, ecuación calorimétrica, significación de la perdida de carga, caso de un fluido real con fuerzas de rozamiento. Condiciones de aplicación de las ecuaciones de los fluidos no compresibles.
RESISTENCIA
Definiciones y Unidades; relaciones entre las diferentes unidades, otras definiciones, resistencias prácticas, nomogramas para diferentes tipos de vías subterráneas, valores prácticos de resistencia: Mina la Chapa, Samacá, El Uvo. Resistividad, Orificio Equivalente, Grados de dificultad en la ventilación, Relaciones entre Q, H y ; Escalas métrica y logarítmica (representación); Densidad el aire, Valores prácticos de abertura () equivalente en las minas de Acerías Paz del Río, Mina la Chapa, Mina Samacá, Mina Caliza, Mina El Uvo.
MEDIDAS DE VENTILACIÓN, 64 Instrumentos para la medición de velocidades, medidas de presión, medidas de presiones absolutas, determinación de presiones absolutas bajo tierra, medidas de presiones diferenciales, aparatos complementarios. Medida de secciones.
CAPITULO IV
VENTILACIÓN NATURAL
Definición: Método deductivo para definir las ecuaciones de la ventilación natural:
Sistemas de ventilación 51
Ventilación en bucle y en diagonal, entrada de ventilación en el techo o piso del yacimiento, ventilación ascendente y descendente: grado de empolvamiento, costo de los diferentes tipos de ventilación.
Ventilación principal, ventilación natural 54
Influencia en ventilación por método explotación, ventilación U en avance y en regreso, Y en avance y en regreso ventilación en Z en avance y en regreso, consideraciones de otros tipos de ventilación al techo y al piso del yacimiento.
Repartición de la corriente de aire, movimiento del aire con peso especifico constante, elementos en serie, elementos en paralelo, perdida de carga en un nudo, perdida de carga entre dos nudos, red con varias entradas y varias salidas, red cualquiera: ecuaciones de nudo (primera ley de Kirchoff) ecuaciones de las mallas (segunda ley de Kirchoff).
Distribución de la ventilación de una mina por computador 69 Levantamiento de los datos de la red de ventilación, medición de la red: personal, aparatos, libretas, planos. Proceso de las mediciones. Mediciones de secciones y longitud de vías, mediciones de velocidades, temperaturas y flujos, mediciones de presión por el sistema de paso peregrino. Balanceo y correcciones de las mediciones en una red de ventilación: balanceo de flujos, correcciones de mediciones depresión y resultados.
Programa de ventilación Acerías 83 Descripción del programa de ventilación de Acerías Paz del Río. Cálculo iterativo de los flujos de
ventilación en la red. Teoría de las redes malladas. Datos de entrada: clases de tarjetas: K11, K12, K13, K14, K15, K16, K17 K03. Explicación de cada una de las tarjetas. Orden de las tarjetas. Entrega de resultados (out-put). Ejemplo de entrada de una mina al computador: Otro programa.
CAPITULO V
VENTILADORES PRINCIPALES 91
Ventiladores principales en superficie, diversos tipos de ventiladores. Ventiladores centrífugos, ventiladores helicoidales, características teóricas. Curva H= F (q, curva de potencia W= f (0); curva de rendimiento p= (Q); características practicas: potencia absorbida, rendimiento, instalación de un ventilador sobre el túnel de salida o entrada, requisitos de una instalación.
Estudio de una instalación: proyecto de una instalación de ventilador principal Mina El Uvo.
Anexo 13
CAPITULO VI
DISPOSICION PRÁCTICA DE LA CORRIENTE DE AIRE 99 Secciones independientes, circuitos y corrientes diagonales, puertas de ventilación, cortinas de
ventilación
CAPITULO VII
VENTILACION AUXILIAR 104 Metas que debe atender, flujos necesarios, efecto de la ventilación soplante, efecto de la ventilación aspirante, combinación de la ventilación soplante-aspirante, ventiladores auxiliares, control en le flujo de ventiladores auxiliares, mediante el empleo del tubo pitot, método de las coronas concéntricas de igual superficie, tuberías, pérdida de carga en tuberías, Pérdidas en canales, escogencia de un ventilador auxiliar para un frente ciego y adopción del diámetro de la tubería.
CAPITULO VIII
COSTOS DE LA VENTILACION PRINCIPAL Y AUXILIAR 116
Concepto de costos para la ventilación principal y auxiliar, datos de la ventilación principal, datos de la ventilación auxiliar, costos de la ventilación principal, costos de la ventilación auxiliar, organización, necesidades y costos de equipo, costos diarios de energía: consumo según tipo de ventilador, datos, otras consideraciones de importancia: índice de ventilación.
PROLOGO
El presente Texto fue desarrollado como fruto de la experiencia del autor en el campo de la ventilación en diferentes minas del país: minas de Carbón, Hierro. y Calizas de la Empresa Acerías Paz del Río; en Amagá, departamento Antioquia, en la empresa Industrial Hullera, en Cúcuta, departamento de norte de Santander, en la minas de carbón de minas Maturín Ltda., otras minas del departamento en la empresa Carbonorte, hoy liquidada y como docente en la preparación de un programa de estudios en Ventilación de Minas, dirigido a estudiantes de Ingeniería de Minas de la Universidad Nacional de Medellín, UPTC y UFPS, en la formación de los futuros ingenieros con conocimientos de ventilación, para que se apliquen en su experiencia.
Me movió a realizarlo el hecho, de que mi tesis para optar el grado de Ingeniero de Minas, era eso, una Tesis de Grado, entonces decidí complementarlo con ejemplos de mi experiencia en las diferentes minas colombianas y en los túneles de Chingaza del acueducto de Bogotá, con problemas de ejemplo que fueron adquiridos de la práctica, en el campo de las minas y de la docencia.
Pensé que con este texto podía ofrecer al estudiante de ingeniería de minas, al ingeniero y al técnico, una herramienta práctica en la problemática de la ventilación de las minas; sobre todo, hoy, cuando tenemos minas que por una u otra razón abundan en problemas de ventilación, a causa del metano y de las necesidades de aire, aparejados a su magnitud y su profundidad. Lo anterior, hace más compleja la solución de problemas técnicos de ventilación en estas minas, por estos factores: desgasificación y profundidad. Espero que este texto sea de utilidad al lector.
En este mundo, hoy globalizado que se ve convulsionado por la crisis energética y por el auge de los me tales preciosos por la siempre “fiebre del oro”, fenómenos de los cuales nuestro país no es ajeno, por la reciente crisis del carbón en el mundo por los cambios de políticas de producción de carbón en la China, nuestro país está mirando hoy su presente panorama minero, con nuevas perspectivas e exigencias en las reglamentaciones, en la seguridad, en la fabricación de ventiladores y tuberías para la conducción del aire a las minas, en el empleo de nuevos y sofisticados aparatos para la medición de los gases, unas veces originados por el yacimiento y otras por el método de explotación, que hacen necesario estimar cálculos de los caudales de ventilación. Esto nos induce a que la industria de los minerales y a quienes los consumen interna y externamente investiguen y promuevan compras de ellos en las minas que los produzcan y que se certifiquen los requisitos “ de mineral limpio” en la producción de las minas bien ventiladas, que aseguren el trabajo de medio ambiente y seguridad de ellas, con la expectativa de producciones que garanticen las necesidades del mercado, hacia nuevas minas que se planifiquen a futuro con producciones que hagan rentable este negocio. A decir la verdad, a nuestro país no le sirven esas minas pequeñas, de escasa producción- entre 200 a 3.000 toneladas mensuales- sino minas con buena producción que se ocupen seriamente de los problemas de medio ambiente, seguridad y buena ventilación, como garantía a la salubridad y a la vida de los trabajadores.
Si lo anterior es así, somos conscientes que todavía se debe aportar mucho a esta industria, y son los nuevos ingenieros de minas quienes deben tener en cuenta el conocimiento de esta herramienta de ayer, la que aquí presento, para continuar dialogando con el empresario minero de hoy; cómo se hacía ayer y cómo se debe hacer hoy, ya que ambos coinciden en el pensamiento de sus economías y costos, en razón a que los precios del carbón, en razón a que sus utilidades siguen son reducidas. Aparejado lo anterior, a que el Estado sigue siendo laxo en las exigencias de una seguridad minera no acorde con la época.
Lo que si no debe perderse de meta, es que el correcto empleo de la ventilación de una mina da al Productor y al Inversionista una seguridad suficiente en el empleo de su personal, de su mina y de su capital, porque reduce o elimina los riesgos de catástrofes y accidentes bajo tierra.
Por otra parte, el buen aspecto de una correcta seguridad minera, con una adecuada ventilación en los trabajos produce, además, del buen rendimiento del obrero, una buena Imagen Corporativa del
Con frecuencia he escuchado que los costos para obtener una buena ventilación no hacen rentable el negocio de la minería, sobre todo la del carbón, porque se encarece su producción. Esto fuera cierto si la ventilación de las minas fuese un adorno innecesario. Pero no es así. Hemos sido testigos de grandes tragedias, con muchos obreros muertos, de muchas viudas y de niños huérfanos que han llenado de relatos los periódicos y las revistas, de nuestro país. Todavía siguen ocurriendo estos eventos desagradables, no sólo aquí, sino en muchas partes del mundo.
Se sabe que al que trabaja en las labores subterráneas hay que llevarle un caudal de aire, determinado, necesario y suficiente, que sea capaz de diluir gases tóxicos y explosivos a niveles permisibles, así como, de permitir la respiración de la gente que trabaja en las labores bajo tierra, buscando que se reduzca la temperatura del aire, especialmente en minas profundas y aún en minas de poca profundidad por carbones de elevado factor de oxidación y alta humedad del aire como se tienen en Colombia.
Las anteriores consideraciones sirvieron al autor para la realización de este texto. Los conceptos que se complementaron y compilaron en él, por el contrario trataron de no dejar de lado algunos criterios teóricos. Por ello se procuró llevarlos al campo de la práctica para lograr su aplicación, como lo hacen otros textos de ventilación que se consultaron.
Este texto consta de ocho capítulos que hablan sobre el tema de la ventilación de las minas, deseo motivar al lector con una introducción que le deje ver a éste la importancia del tema y de la gestión que debe esperarse al proyectar una mina con una buena ventilación.
En el capítulo I se trata sobre el aire en las minas y su composición en cuanto a gases se refiere; la aplicabilidad de este asunto debe centrarse, en otros puntos de importancia como el Valor Límite Permisible- VLP, de cada gas nocivo y la forma de registrarlo y hacer su detección.
El capítulo II trata la Humedad y Temperatura del aire, así como también la influencia de los factores del clima subterráneo en el cuerpo humano; conocimientos estos que siguen inquietándonos por la profundización de nuestras minas a niveles inferiores, como los casos de muchas minas colombianas en Boyacá, Cundinamarca, Antioquia, Norte de Santander y aun en el Valle del cauca, donde la minería del carbón ha perdido su importancia, por el cierre y agotamiento de varias minas.
El capítulo III toca el tema de los Cálculos de Ventilación, matemática que deber ser tenida en cuenta para obtener valores reales y cercanos a los caudales necesarios de aire, así como también valores prácticos de resistencia, obtenidos como, resultado de la utilización de un NOMOGRAMA, herramienta, que se emplea, en los cálculos por computador, en lugar de la presión de cada vía y su caudal. Las medidas de ventilación con instrumentos como: barómetros, anemómetros, psicrómetros, manómetros, tubo en U, tubo pitot, mangueras y otros, que nos permitan realizar los cálculos con los valores medidos.
El capitulo IV contiene diversos diagramas que permiten hacer un recorrido de la ventilación y la incidencia de cada uno de ellos en los problemas de explotación. Diagramas o sistemas de ventilación en “U”, “Z” y “Y”, en avance y retroceso, ventajas y desventajas. Ventilación natural y su influencia en nuestras minas de montaña. Repartición de la corriente de aire, aplicando los criterios de las leyes de Kirchoff. Al final, como se menciona en el párrafo anterior, se maneja la situación de los caudales de aire, presiones y valores de resistencia de una mina para su almacenamiento en el computador digital en futuras planeaciones y otros usos.
En el capítulo V se tocan aspectos de la ventilación principal y las características técnicas en el del trabajo de un ventilador, en relación al circuito de ventilación (abertura equivalente y resistencia total en el circuito de una mina). Igualmente se dan algunos consejos sobre los requisitos que deben ser observados al hacer una instalación de un ventilador principal.
Las disposiciones sobre la distribución de la corriente de aire, como puertas de ventilación, reguladores y cortinas, así como las dimensiones de puertas se tratan en el capítulo VI.
Los capítulos VII y VIII tratan sobre la ventilación auxiliar, efectos de la ventilación soplante y aspirante; ventiladores para vías de ventilación auxiliar (vías ciegas), escogencia del tipo de ventilador de acuerdo al empleo de Nomogramas; tuberías y pérdidas de aire en un canal, además de algunas consideraciones de costos e inversiones que deben ser tenidas en cuenta al planificar la ventilación principal y auxiliar de una mina. Y por supuesto, en el capítulo octavo, se trató el asunto de los costos que inciden en la ventilación principal y auxiliar.
En la mayoría de estos capítulos, el autor trató de presentar ejemplos y problemas, al lado de lo que sucede en los Proyectos de Ventilación cuando se hace necesario desarrollar un nuevo esquema de ventilación cuando surgen nuevas tareas en las necesidades de aire.
Finalmente deseo expresar mis más sinceros agradecimientos a la Rectoría de la UPTC, a la Decanatura de Ingeniería en Sogamoso y al Director de la Escuela de Ingeniería de Minas, Ingeniero Luis Alejandro Fonseca, quien hizo posible que este Texto saliera del anonimato, como lo estuvo la Tesis de grado del suscrito, por más de 30 años.
También sigo recordando a mi dilecto amigo el Dr. Diego Cardona, hoy fallecido y quien hoy, a pesar de estar ausente, me inspiró a realizar este texto. El doctor Cardona durante su tiempo, en vida, me prestó toda su colaboración y atención en el desarrollo de la famosa tesis de grado que me sirvió de base para realizar este texto, colaborando por intermedio de Acerías. Al doctor William Botero Suárez, quien con su experiencia y conocimientos me dio directrices y metodología que aun aplico para convertir la famosa tesis de grado en Texto.
Recuerdo con mucha gratitud al doctor Gustavo Jaramillo, también hoy fallecido, quien desde el principio creyó en que el trabajo que utilizó el suscrito para dictar en el año 1975, un curso de 40 horas de la materia Ventilación de Minas, a estudiantes del quinto al décimo semestre de Ingeniería de minas de la Escuela de Minas, Universidad Nacional de Medellín, podía servir como Tesis de Grado para optar el título de Ingeniero de Minas. Me atrevo a pensar que si Gustavo, aun viviera, me diría hoy, porque demoré tanto para convertir esa tesis en libro.
También agradezco al Ingeniero Héctor Naranjo, colega y colaborador de la mina Samacá a quien invité, para que se graduara conmigo, utilizando “la famosa tesis” y a quien no le he pedido permiso para convertirla en Texto. Si él me lo negara, que estoy seguro que nó, le contestaría: “Volvámonos a graduar con una tesis, como inicialmente lo quisimos hacer, con un trabajo sobre Hornos de Colmena, en la mina Samacá, para la coquización de carbones”.
A muchas personas que me han acompañado en mi vida; a ellas más que a nadie, también, les agradezco el haberme ayudado y dado su tiempo que yo les negué ayer y hoy, y a quienes estoy reconocido como a Adelaida, hoy fallecida, y a Nelly quien hoy me acompaña, grandes mujeres; a mis hijos grandes y pequeños quienes saben de este afán para convertir este sueño en realidad. También agradezco a mis estudiantes de ingeniería de la UPTC, del 2004 hasta 2006, quienes me sirvieron de “conejillos de indias”, para realizar este experimento, que hoy lo presento a la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia UPTC, como un texto de consulta para Estudiantes y Profesores.
Gracias a Dios por haberme brindado esta oportunidad de servir a la comunidad y a mis lectores por consultar este texto.
INTRODUCCION
Importancia de la ventilación
Para poner en evidencia la importancia de la ventilación en la explotación de minas, existe la costumbre de comparar el peso del aire circulante en los trabajos mineros con el de los minerales extraídos; el peso del aire es generalmente muy superior. El pese del aire, en el conjunto de las carboneras francesas, era en 1960, igual 7,5 veces el tonelaje extraído. En Colombia, en minas como la Chapa, en el año 74, fue de 3 veces s la producción explotada En cifras totales el consumo de energía para la ventilación es ciertamente importante. Para el conjunto de; es carboneras francesas el consumo medio de electricidad en los ventiladores principales fue en 1960 de 3.9 Kwh. por tonelada neta; este consumo varia sensiblemente de urna mina a la otra y en algunos grupos mineros ella sobrepasa de 6kwh/t. En la mina La Chapa de. Acerías Paz del Río se tiene un consumo de 5 Kwh. por tonelada bruta de carbón.
Los gastos de energía no representan más que una fracción del costo de la ventilación; es necesario igualmente tener en cuenta la amortización y el mantenimiento de los ventiladores, trabajos de distribución de la corriente de aire, mano de obra de la supervisión y control. En e total de los gastos imputados directamente a la ventilación en Francia es del orden de 0.60 NF/t; costo promedio de todo el conjunto de las carboneras francesas, o sea alrededor de 1% del costo total. En la mina La Chapa de Acerías Paz del Río, teniendo en cuenta amortización: del equipo y energía, se tienen unos costos de ventilación para 1500 toneladas de producción de $ 0.69/ton. Un costo global que tenga en cuenta factores que se anotan comienzo de este párrafo, alcanzaría una cifra de $ 3.50/ton.
El costo de la ventilación no es entonces despreciable merece que se le tenga en cuenta para controlarlo, pero él no da más que una idea muy fragmentaria de la importancia de esta operación en la explotación y de su incidencia en los costos totales.
Es frecuente en efecto que para asegurar un flujo suficiente de aire en todos los frentes de trabajo sea necesario dar e las vías de acceso (transversales, bajadas, tambores y galerías dimensiones muy superiores en las que exigiría el transporte de personal y de material y la evacuación de los productos. A menudo quien explota se ve obligado a ejecutar obras mineras especiales, tales como: Tambores, Transversales y aún en los Pozos de ventilación. En la mayoría de los casos la armazón de la mina está determinada por las exigencias de la ventilación. Si entonces se imputase a la ventilación todos los trabajos mineros que su realización hace necesarios, se llegaría a relaciones de aire muy superiores a los ya anotados anteriormente.
Existen también cases de minas ya abiertas, en donde de vez en cuando se llegue a un manto con contenido de metano, donde la concentración de los trabajos, por el aumento de la velocidad de avance de los frentes deben ser limitados por la imposibilidad que se encuentra en hacer circular un flujo de aire suficiente que haga bajar el contenido de grisú a cantidades aceptables. La producción debe ser algunas veces disminuida, incluso suspendido temporalmente, porque la ventilación es insuficiente. En este caso la ventilación viene a ser el cuello de botella de la explotación de la mina. Si entonces se imputan a la ventilación, todas las pérdidas de producción, donde la falta de ventilación puede ser la causa, su incidencia en la economía de la explotación llega a ser considerable.
Su influencia en la higiene y la seguridad es evidente, Ella es particularmente indispensable en las minas con grisú, donde la dilución del CH4 por la corriente aire constituye el medio de lucha más eficaz centra
las explosiones, y en las minas prefundas, donde una buena ventilación es necesaria para mantener una temperatura que sea soportable.
En fin es necesario anotar que las dificultades encontradas en el establecimiento de una ventilación conveniente irán en aumento, de una parte, por el aumento de la profundidad media en los trabajos, y de otra parte la, por la concentración y aumento de velocidades de avance, que hoy son posibles por los progresos obre ratos en las técnicas de arranque y sostenimiento. Para sacar el máximo de provecho a estos progresos, es importante no estar limitado por una ventilación insuficiente.
PROBLEMA
Para la resolución del siguiente tipo de problemas, sugerimos utilizar las siguientes fórmulas que son bastante aproximadas si no se dispone de un barómetro, para calcular las siguientes variables:
Presión barométrica [pbarométrica] (Unidad: mm. de Hg.)
Peso específico del aire [] (Unidad: Kg./m3) FORMULAS 5.255
0.0065*
760*´(1
)
273
0.455*
273
barometrica s barometrica sh
p
t
p
t
1. Cuál será el índice de ventilación de una mina cuya producción de carbón es de 3.000 toneladas por día, sabiendo que el caudal de aire que sale por el ventilador principal es de 6.000. Si el sitio donde está ubicada la mina está localizado a una altura de 2800 metros sobre el nivel del mar. Las temperaturas seca y húmeda promedias de la mina, son: ts=24 ºC; th= 20ªC.
5.255
0.0065*
760*´(1
)
273
barometrica sh
p
t
= 545.120 mm Hg. 30.455*545.120
0.835
/
273 24
Kg m
Peso del aire que sale por el ventilador en 24 horas = Q (m3/min.)*(Kg./m3)x60min*24horas/1h*1 día =
1.440Q *
(Kilogramos de aire/día)
=
1,440*Q*0.835/1000 (ton. aire/día)
= 1.440*6.000*0.835= 7.214tons aire/día
min
7.214
( )
2.4
min
24
3.000
Peso de aire que sale de la
a
Indice de ventilacion I
produccion de
eral en
horas
Es decir, que por cada tonelada de carbón producida se están entrando a la mina 2.4 toneladas de aire. En este problema se ve que si queremos mejorar este índice, es necesario entrar más aire a la mina o extraer menos carbón por día.
COMO SE PRESENTAN LOS PROBLEMAS DE VENTILACION?
Un problema simple que se presenta de una manera permanente, es el de la supervisión y control de la ventilación. Se trata de medir en diferentes puntos de la mina las características de la corriente de aire: velocidad, flujo, presión de los puntos de empalme, concentración de sustancias perjudiciales (gases nocivos). Para esto es necesario disponer de aparatos y de métodos convenientes de medida.
Otro problema más complejo consiste en buscar cuáles deben ser las modificaciones que serán necesarias introducir a las instalaciones, configuración de los trabajos mineros y de los ventiladores, ya sea para remediar una insuficiencia de la ventilación, ya sea para adaptar la ventilación a una nueva situación de la explotación. Este problema no es en principio diferente al de 'Proyectar la ventilación, que consiste en determinar las disposiciones que permiten asegurar una ventilación conveniente en un frente de explotación futuro, sobre el cual se fijan a priori las características de ventilación.
En un caso como en el otro, es necesario saber en - primer lugar, cuáles son los flujos de aire necesarios en rada frente de trabajo para tener en cuenta las diferentes causas de polución y de calentamiento de la atmósfera También es necesario entrar a prever inmediatamente sobre cuál sería la repartición de los flujos entre los diferentes tajos de explotación en función de diferentes parámetros, como la configuración de los trabajos mineros y características de los ventiladores, a fin de escoger aquellos que cumplan con las tareas necesarias de caudal de aire.
El establecimiento de esta previsión exige el conocimiento de:
a) Las características de los diferentes elementos de la red de ventilación; ellas pueden ser estudiado en un nomograma, o tomadas de elementos análogos de una mina existente;
b) Las características de los ventiladores disponibles en la marcha, En fin es necesario disponer de un método y medios de cálculo.
OBJETO DE LA VENTILACIÓN – CONCLUSION
La ventilación tiene por meta mantener en la atmósfera de la mina una composición una temperatura y un grado de humedad compatible con la seguridad, la salud y el rendimiento del personal, Lo anterior es indispensablemente necesario para:
a) Asegurar la respiración del personal minero
b) Diluir los gases nocivos de la mina, en particular el grisú, c) Reducir la temperatura, especialmente en las minas profundas.
CAPITULO I:
EL AIRE EN LAS MINAS
Generalidades
El aire atmosférico normal consta de 21% de oxigeno y 78% de nitrógeno, en volumen, Contiene además. Gas carbónico, gases raros, vapor de agua en porcentajes variables.
La composición del aire atmosférico normal (seco) es:
N2 78% Vol.
02 20,86 "
CO2 0.20% "
Argón 0.93% "
Otros gases 0,01% "
Vapor de agua 0.05% hasta 4%, en promedio 1%, este porcentaje no influye en la relación oxigeno - nitrógeno. Fuera de estos componentes normales el aire de las minas contiene otras impurezas que son provenientes de:
- Humos y gases de voladuras - Gases de las mismas formaciones - Polvo proveniente de las labores mineras
Los principales contaminantes del aire son: monóxido de carbono (CO), gas carbónico (CO2), metano
(CH4), gases nitrosos (NO + NO2), anhídrido sulfuroso (SO2), los polvos de rocas y en los casos de los
minerales radioactivos, el Radon y el Torno que son los isótopos radioactivos, de vida corta, provenientes de la desintegración de los isótopos de radio pertenecientes a las familias de actinio y del torio. Estos componentes del aire pueden representar un peligro, tanto por su propia nocividad como por la disminución de oxigeno que ocasionen.
Teniendo en cuenta los gases frecuentes en las minas de carbón, hierro y calizas, como son: el CO, CO2,
CH4,( NO + NO2), los estudiáramos desde el punto de vista de su peso especifico respecto del aire,
algunas propiedades físicas y químicas, efectos fisiológicos de acuerdo al grado de concentración, limite permisible en la corriente de ventilación de la mina, su origen en los trabajos subterráneos y los aparatos que nos permiten descubrirlos y medirlos. Por ser el O2 y el N2, componentes principales del aire
atmosférico comenzaremos la parte de estudio, adicionalmente con ellos.
Antes de estudiar en forma detallada los gases mas frecuentes en la minas, proponemos al lector estudiar la siguiente “carta de gases” más frecuentes en las minas, para que se vaya adaptando a la situación de estos en las minas y los vaya conociendo desde algunas características importantes.
A la final del estudio de los gases, complementaria a esta tabla estamos presentado otra tabla con el resumen de las características de los gases, que puede servir al lector para que con ellas se tenga una noción resumida de esta problemática
TABLA 1: CARTA DE GASES
CARACTERÍSTICA METANO MONOXIDOI DE CARBONO
ACIDO SULFHIDRICO
GAS
CARBONICO NITROGENO OXIGENO
FORMULA QUIMICA CH4 CO H2S CO2 N2 O2
GRAVEDAD ESPECIFICA 0.555 0.967 1.191 1.5291 0.967 1.105 INCIDENCIA EN EL AIRE % *
*
*
0.03 78.10 20.93 ¿ESCOMBUSTIBLE? SI SI SI NO NO NO ¿ES SOPORTE DE LA COMBUSTION? NO NO NO NO NO SI ¿ES VENENOSO? NO SI SI NO NO NO ¿COMO SE DETECTA? LAMPARA DE SEGURIDAD MULTIDETECTOR MULTIDETECTOR ANALISIS QUIMICO MULTIDETECTOR ANALISIS QUIMICO TUBO DE CONTROL ANALISIS QUIMICO LAMPARA DE SEGURIDAD ANALISIS QUIMICO LAMPARA DE SEGURIDAD ANALISIS QUIMICO MULTIDETECTOR LAMPARA DE SEGURIDAD RANGO EXPLOSIVOEN EL AIRE 5 A 15% 12.5 A 73% 4.3 A 46% NINGUNO NINGUNO NINGUNO TEMPERATURA DE
IGNICION EN ºC 593 a749 593 371 NINGUNA NINGUNA NINGUNA
ORIGEN Ocluido en el carbón y mantos de arcilla; Descomposición de materia vegetal en el agua Combustión incompleta; Fuegos de mina; explosiones de metano y en voladuras con dinamitas En aguas de mantos de carbón; en formaciones de sal líneas de tubería tuberías en lugares pobremente ventilados Combustión completa; pequeñas cantidades son encontradas en forma natural en el aire Es encontrado en forma natural en el aire; la oxidación de carbón libera nitrógeno Se encuentra naturalmente en el aire ¿CUAL ES EL EFECTO SOBRE LA VIDA? Causa la muerte por sofocación si es respirado en altas concentraciones; el efecto pasa al refrescarse en aire limpio de de metano 0.10% en el aire causa un colapso completo; excluye el oxigeno de la sangre 0.07% causa la muerte en una hora; muy venenoso; destruye el nervio del olfato
Causa la muerte por sofocación; reemplaza el oxigeno de la sangre; respiración difícil Causa la muerte por sofocación; reemplaza el oxigeno de la sangre Necesario para la vida 1.1 OXIGENO
Gás incoloro, inodoro e insípido Formula: O2
Peso específico: 1.11 (respecto al aire)
1.1.1 Efectos fisiológicos
En las siguientes concentraciones en el aire produce en el organismo humano los siguientes efectos:
De 21-18% Ritmo de respiración normal
De 14-9% Aceleración notable de la respiración y del pulso, respiración intermitente, cianosis, vomito, astenia.
De 10-6% Excitación con cianosis intensa, síncopes llegado hasta el estado de coma, respiración superficial y rápida terminando en el espasmo respiratorio. Concertaciones tan bajas se
resisten únicamente durante muy cortos periodos de tiempo. De 5-3% Muerte en poco tiempo.
1.1. 2 LÍMITE PERMISIBLE:
Por debajo de una concentración del 18% debe cerrarse el frente de trabajo a la operación del personal. 1.1.3 CAUSAS DE REDUCCIÓN
Se resume en las siguientes:
- Absorción por el carbón. Ej. oxidación de la pirita y del mismo carbón. - Respiración de los hombres y animales
- Mezcla del aire con diversos productos gaseosos preexistentes. Emisión continua, desgasificaciones instantáneas, voladuras, explosiones del grisú o polvos del carbón, incendios.
- La extensión de los frentes de trabajo y la velocidad del aire, a través de ellos, influye sobre la absorción de 02 por el carbón.
- El tenor se disminuye más en as secciones donde el aire está quieto o es lento. Cuando la velocidad es débil, por ejemplo, en los trabajos abandonados o en recuperación no es rara una disminución del 1% en 02.
- La cantidad de personal y la intensidad del trabajo influyen sobre el consumo de aire, por respiración. Según el trabajo realizado, un hombre consume de 0.25 a 2.5 lt/min. de 02, aspirando de 7 a 60 lts/min. de aire y expulsando de 0.2 a 2.4 lts/min. de CO2.
1.1.4 APARATOS DE DETECCIÓN Y MEDIDA.
Con la lámpara de seguridad se puede efectuar cualitativamente la deficiencia de 02 de la atmósfera bajo tierra. Cuando la atmósfera se empobrece de oxígeno en presencia del grisú o de algunos gases combustibles la llama inicialmente se eleva, se dice que busca el oxígeno, se vuelve rojiza y luego se empequeñece para apagarse cuando la concentración en volumen de oxigeno tiene un valor de 16.25%. Ver explicaciones en Fig. 1 y 2, Anexo 5.
Con el medidor de oxígeno, u oxigenómetro también puede detectarse cuantitativamente la disminución de oxigeno en cualquier atmósfera de trabajo. El funcionamiento de este aparato está basado en el siguiente principio: se produce una reacción química en la celda del aparato, por medio de un catalizador, y de acuerdo al contenido de oxigeno en el aire, esta reacción será más o menos fuerte y producirá una variación de la resistencia eléctrica de la resistencia eléctrica , permitiendo el paso de más o menos corriente, de manera que la corriente que circula a través del miliamperímetro es proporcional al contenido de oxígeno en la atmósfera. Esta función es realizada hoy con el Multidetector, aparato que puede realizar en poco tiempo las funciones de detectar el contenido de Oxígeno (O2) de una atmósfera,
concentración de Monóxido de Carbono (CO), Metano (CH4) y Acido Sulfhídrico (H2S).
Particularmente el Oxigenómetro consta de las siguientes partes: 1. Un miliamperímetro graduado en % en volumen de 02,
2. Una celda de reacción cuya resistencia depende del con tenido de oxigeno en la atmósfera que se esté midiendo
3. Un interruptor de botón para cerrar el circuito de medición,
FIG. 1 CIRCUITO ELECTRICO DE UN OXIGENOMETRO
1. 2 NITROGENO:
Gas incoloro, inodoro e insípido, químicamente inerte Fórmula: N2
Peso específico: 0,97 (respecto del aire),
1.2.1 EFECTOS FISIOLOGICOS:
No tiene ninguna acción química durante la respiración. Su peligrosidad radica en que su aumento disminuye el O2 a porcentajes peligrosos para la vida del hombre.
1.2.2.1 ORIGEN DE LOS TRABAJOS
Su aumento en la corriente de ventilación de las mismas se debe a la putrefacción de materias orgánicas y en el trabajo con explosivos. También se presenta en el desprendimiento por las rocas y cartones. En las minas de potasa y algunas de carbón de Alemania, el grisú contiene hasta un 40% de Nitrógeno. En 1894, en hulleras de Lens (Francia), se comprobó en una arenisca cavernosa, un flujo de N2 casi
punto con un caudal de 200m3/día durante 6 meses.
1.3 MONOXIDO DE CARBONO
Gas sin color, sin sabor, ni olor. Debidamente soluble en el agua. Toxico y combustible; combustible cuando su contenido es de 13 – 75% y por el calor a la llama se inicia la oxidación del CO
Formula: CO
Peso específico: 0.97 (respecto del aire).
1.3.1 EFECTOS FISIOLOGICOS
Es un gas bastante venenoso que tiene mucha mas afinidad por la hemoglobina de la sangre que el oxígeno, (200-300 veces más) formando la carboxihemoglobina, reduciendo en esta forma el aporte de oxigeno a los tejidos según su concentración y según la siguiente ecuación:
Hb O2+CO
HbCO+O2El efecto inmediato del CO es comparable al de un anestésico suave. Con relación al CO se han realizado 2 tipos de estudio:
a) El primero relacionado al efecto fisiológico ocasionados por la presencia del CO.
b) El segundo, a los efectos sobre los individuos que permanecen en forma prolongada en atmósfera de CO.
TALES ESTUDIOS PUEDEN OBSERVARSE CON BASTANTE AMPLITUD EN EL ANEXO 5, FIG. 3: EFECTO DEL MONÓXIDO DE CARBONO EN EL HOMBRE EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRARON EN LA SANGRE FIG. 4: EFECTO DEL MONÓXIDO DE CARBONO EN EL HOMBRE EN FUNCIÓN DE LOS TIEMPOS DE EXPOSICIÓN.
La rapidez en la presentación sucesiva de los síntomas típicos y el advenimiento de un desenlace fatal fuera de la sensibilidad en cada individuo y se si estado de salud, dependen también en menor grado, de la temperatura, humedad y movimiento del aire.
El peligro del CO radica principalmente en que el individuo aun consciente puede notar en su organismo un cierto estado general de intoxicación, pero la debilidad que presenta le impide retirarse de la zona de peligro, por si mismo. Los primeros auxilios deben limitarse al suministro de oxigeno.
1.3.2 EL TENOR DE CO EN LA CORRIENTE DE VENTILACIÓN DE LOS TRABAJOS MINEROS DEPENDE DE LOS REGLAMENTOS DE CADA PAÍS.
El reglamento Decreto 1335 para las Labores Subterráneas establece que el CO tiene como limite máximo permisible 0.005% en volumen de CO o sea 50 p.p.m (p.p.m= partes por millón).
1.3.3 ORIGEN DE LOS TRABAJOS MINEROS
Las fuentes de monóxido pueden ser ocasionadas por los siguientes agentes:
a) Explosivos: los explosivos al ser detonados desprenden humos constituidos principalmente por CO y peróxidos de nitrógeno (N2O).
b) Motores Diesel (locomotoras, transcargadores): como todos los motores de combustión desprenden cantidades más o menos importantes de CO. Los factores que intervienen en mayor o menor grado son: el motor propiamente dicho, la inyección del combustible, los elementos componentes de los combustibles lubricantes, las condiciones de trabajo.
c) Incendios, Explosivos de Grisú y Polvo de carbón. Todas estas situaciones pueden originar grandes y variables cantidades CO.
d) Oxidación lenta del carbón. Que depende de: la composición de las cenizas del carbón; la alúmina y la sílice tienden a retardar la oxidación; el Na2CO3, CaO y los minerales de hierro tienden a acelerarla, La
oxidación de la pirita en presencia de humedad libera calor y aumenta el volumen de los gases en las fisuras de las partículas de carbón, incrementando así, la superficie de oxidación. Lo mismo ocurre con el azufre.
e) La concentración de oxígeno en el aire ambiente y por consiguiente la ventilación; la velocidad de oxidación es proporcional a la presión parcial de oxígeno. El incremento de la temperatura favorece considerablemente la velocidad de oxidación
1.3.4 APARATOS DE DBTECCION Y MEDIDA
La peligrosidad de este gas exige una detección rápida y precisa de los bajos porcentajes. De esto se distinguen diversas clases de aparatos que se dividen así:
1.3.4.1 APARATOS PORTATILES DE INDICACION INMEDIATA
Son aparatos esenciales para la protección del personal contra CO, pero mientras unos efectúan la medición por el cambio de coloración del elemento reducido, otros lo hacen por el calor desprendido en la oxidación, se describen así:
A) Aparatos Colorimétricos:
a) Bomba Drager 19/31 y tubos de Control
b) Aparato Cerchar - Mont-Luzón Siebe Gorman: similar al Drager, pero es un aparato más incomodo. d) Indicador Calorimétrico de Paladio, cuyo límite inferior de medición es de 0,1%.
B) Medidores calorimétricos:
a) Medidor a base de hopcalita (mezcla de MnO2 y CuO, catalizadores de muchas reacciones.
CO + 1/2O2 + CATALIZADOR = CO2 + 68 calorías
Permite detectar porcentajes de CO del orden de 0.002%, la precisión alcanza hasta 0.005
1.3.4.2 APARATOS MUY SENSIBLES Y DE GRAN PRECISION
Analizadores infrarrojos hasta de 2 partes por millón.
1.3.4.3 APARATOS Y METODOS DE MEDICION EN EL LABORATORIO
a) Combustión por calentamiento del CO en tubo de - cuarzo. El CO2 formado es absorbido en agua de barita. Mediciones desde 50 a 10.000 p.p.m.
b) Oxidación por el pentóxido de yodo. La medición se efectúa: c) Ya sea sobre el 12 por el tío sulfato.
d) Ya sea sobre el CO2 por el cambio de conductibilidad del CO2 formado, pasando por una solución de titrisol (NaOH). Este tipo de aparato es llamado ULTRAGAS y es fabricado por la casa Whösthof de Alemania, también se conoce con el nombre de aparato Wösthoff, consultar ANEXO 3.- DESCRIPCION DEL EMPLEO DEL APARATO WHÖSTHOFF, PARA EL ANALISIS DE CH4, CO2, CO.
e) Oxidación por diferentes oxidantes titulando el CO2 re cogido por métodos volumétricos.
f) Método de la sangre. Método especializado característico del CO complicado y recomendable sólo para expertos.
1.4. GAS CARBONICO
Gas sin color, inodoro con un sabor ligeramente ácido, se disuelve bien en el agua, no es tóxico, sino más bien asfixiante.
• Fórmula: CO2.
* Peso específico: 1,53 respecto del aire.
1.4.1 EFECTOS FISIOLOGICOS
Existe en trazos (0,03%) en el aire natural, cuando su concentración alcanza el 0.5% ocasiona el aumento del ritmo y la profundidad de la respiración.
Con 2% de CO2 la respiración aumenta en 50%, con 5% la respiración se hace más penosa, con 10% no se puede resistir sino unos pocos minutos.
Para personal en actividad, los fenómenos enunciados se presentan más rápidamente. El personal minero con experiencia reconoce la presencia del CO2 por la dificultad de la respiración, el calentamiento de las piernas v de la piel que enrojece, el dolor de cabeza y el decaimiento general. Con el aumento de la concentración se provoca la tos, la aceleración de la respiración y accesos de temblor.
1.4.2 LIMITE PERMISIBLE
Las normas francesas consideran como límite superior para CO2 1,25% en sitios donde se trabaja
continuamente, Las normas alemanas fijan un máximo de 0,5%. En los reglamentos de Acerías se ha fijado un valor máximo permisible de 5.000 p.p.m. para 8 horas de trabajo.
1.4.3 ORIGEN EN LOS TRABAJOS MINEROS
Las causas de origen del CO2 se pueden dividir en normales o rutinarias y accidentales.
a) Normales: respiración de los hombres y animales, funcionamiento de motores de combustión interna, las voladuras y la oxidación de la madera o carbón. Esta última es más importan te y en algunas partes se le atribuyen los 16/17 del CO2 total que sale de la mina.
b) Accidentales: el fuego y los incendios en las minas. Emisiones de CO2 ya sea en forma gradual o
repentina y violenta. En ambos casos los volúmenes de gas producidos son incomparablemente mayores que los provenientes de todas las demás causas juntas.
1.4.4 APARATOS DE DETECCION Y MEDIDA
La lámpara de seguridad es el aviso más eficaz en una atmósfera sospechosa de CO2 o de otros gases
contaminantes porque nos advierte la ausencia de O2. El CO2 tiene la tendencia, por su densidad, a
acumularse en el piso, en las vías de bajo tierra.
Existen aparatos portátiles que permiten medir el CO2 inmediatamente e in situ por la reacción del gas
con un álcali. También se utiliza la coloración por un reactivo que combinado con el CO2 produce un color
violeta; la longitud de la coloración indica el tanto por ciento de CO2. La casa Drager, de Alemania, fabrica
tubos de control para CO2, los que se usan con la bomba referencia Drager Modelo 19/31 o 21/31 la cual
se anotó al tratar sobre el CO.
En el laboratorio se analiza este gas mediante el empleo del aparato Wösthoff, por el principio del cambio de conductibilidad de una solución patronada de titrisol (NaOH), a una conductibilidad de 265 microhmios. Este aparato analizador de gas sirve igualmente para analizar otros gases como el CO y CH4. Con el
objeto de contribuir al conocimiento de aparato versátil, comúnmente usado en minas, especialmente de carbón, introduciremos en el Anexo 3 la descripción y empleo del aparato Wösthoff.
1.5.0 EL GRISÚ (metano)
El grisú es prácticamente sinónimo de metano (CH4) del que contiene en promedio 95% con pequeños
porcentajes de anhídrido carbónico (CO2), hidrógeno y, a veces, etino (C2H2), ácido sulfhídrico (H2S) y
monóxido de carbono (CO). La parte combustible del grisú está casi representada por metano puro. Es un gas combustible que se desprende de ciertos yacimientos de origen orgánico como el carbón, la potasa y algunas pizarras bituminosas.
1.5.1 EFECTOS FISIOLOGICOS
El CH4 no es tóxico y por lo tanto no tiene acción nociva específica sobre el organismo. Su presencia en
porcentajes elevados ocasiona la disminución del oxígeno a concentraciones insuficientes para la respiración, y ha ocasionado muertes por asfixia en sitios, tales como: trabajos antiguos o ángulos muertos (partes superiores de tajos, avance de pozos en ascenso, etc.) muy mal ventilados.
1.5.2 LIMITE DE INFLAMABILIDAD EN MEZCLAS CON EL AIRE
En condiciones normales el metano (CH4) es inerte.
La propiedad más característica es su combustibilidad y la capacidad de formar con el aire mezclas explosivas Por combustión origina con el aire:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O (1)
CH4 + 2O2 + 8 N2 + ∆= 2H2O+CO2 + 2H2O + 8N2 O (2)
La fórmula anterior nos enseña que se necesitan:
2 volúmenes de oxígeno o 10 volúmenes de AIRE para que el grisú arda íntegramente. La combustión perfecta corresponde a 9% de CH4 y 91% de aire.
El índice de explosividad del metano está comprendido dentro de ciertos límites que dependen, por cierto, de un gran número de factores, tales como; temperatura, presión y mezcla de otros gases, como CO2,
vapor de agua, forma y dimensiones del recinto o túnel que contenga la mezcla, Para las condiciones más frecuentes en bajo tierra, los límites de explosividad oscilan entre 5 y 14%, ver ecuaciones (1) y (2).
1.5.2.1 PRESENCIA DEL GRISÚ EN EL CARBÓN: EL GRISÚ, PUEDE ENCONTRARSE BAJO TRES FORMAS:
Absorción: que es la dilución del gas dentro de la estructura del carbón en forma de penetración molecular, formando una solución sólida.
Estas formas ocurrencia del metano en el carbón tienen una dependencia directa con la presión atmosférica. Cuando aumenta la presión barométrica, el carbón puede admitir más gas, y cuando ésta disminuye pueden desprenderse cantidades grandes de gas.
1.5.3 DISPOSICIONES REGLAMENTARIAS CONCERNIENTES A LOS TENORES DE GRISÚ EN LA ATMÓSFERA DE LA MINA:
Las - principales disposiciones de las reglamentarias sobre los tenores de grisú en los frentes y galerías son las siguientes:
Art. 39: La actividad de los frentes situados sobre una misma corriente de aire y el volumen de aire que circula por ellos deben ser regulados de manera que la concentración (en volumen) no sobrepase: 1% En tajos de explotación.
1.5% en los retornos de aire de frentes de avance en carbón, carbón y roca. 1% en los retornos de aire principales.
Art. 40. Parágrafo 1. Los lugares donde el tenor de grisú sobrepase del 2% deben ser evacuados por el personal, ya sea por iniciativa propia, o por la iniciativa del control de gas o por la supervisión; si este personal dispone de Lámparas de bencina, Metanómetro o Multidetector; al respecto deben darse instrucciones claras y precisas para este fin con las indicaciones en el caso de la altura de la llama en la lámpara.
Parágrafo 2. Sin perjuicio de la aplicación del art. 44 (parágrafos 2 y 3) se deben tomar medidas inmediatas por la supervisión de la mina para la limpieza de la atmósfera de todo frente donde aparezca un tenor peligroso de grisú. En todo caso se considera como peligroso un tenor de grisú superior al 2%.
Los anteriores valores son similares, en nuestro caso, a los reglamentos de la mayor parte de países mineros de Europa.
1.5.4 TIPOS DE DESPRENDIMIENTO DEL GRISU, O DESGASIFICACION:
Los desprendimientos metano se efectúan según las tres formas siguientes:
a) Por SOPLOS: caso realmente excepcional. Este tipo de desprendimiento es causado por fallas o grietas naturales en las rocas.
b) Por DESGASIFICACION INSTANTANEA: con proyección de grandes volúmenes de roca y carbón pulverizados. Tal tipo de desprendimiento de metano es bastante reducido, hasta el presente, a yacimientos muy bien caracterizados.
c) Por EMISION CONTINUA Y DIFUSA: denominada también normal, pues es el caso general; el cual varía en límites grandes que dependen de: permeabilidad propia del manto carbonífero; la roca encajante (techo y piso), en la presión de la fase gaseosa; accidentes geológicos naturales; perturbación de los estratos superyacentes, provocada por la explotación, la cual produce un verdadero drenaje a través de la red de grietas que permiten la emigración del grisú a grandes distancias
En las minas europeas las cantidades de grisú desprendidas por tonelada de carbón se sitúan en promedio, alrededor de 20 m3; pero, algunas minas que no son grisutuosas llegan a desprender hasta 150 y hasta 200 m3 de metano por tonelada de carbón extraído.
1.5.5 DISTRIBUCION DE LOS PUNTOS DE DESPRENDIMIENTO
El grisú se desprende no sólo de fragmentos arrancados, sino también del carbón, in situ, por todas las superficies libres y fisuras que presenta; se mezcla a la atmósfera en los mismos frentes de trabajo, pero
puede igualmente emigrar a través de los terrenos fracturados para reaparecer en las vías, a grandes distancias de su punto de emisión.
En las labores de Desarrollo y Preparación no influidas por otros trabajos, el desprendimiento de metano proviene de las paredes del frente; siendo generalmente escaso a excepción de los yacimientos con soplos. En los tajos de explotación el desprendimiento a lo largo del frente puede limitarse a 1/3 del total, el resto migra a través de las grietas del techo para salir, luego, dentro de los 100 metros de la vía de retorno en la cabecera del tajo. Diversas razones nos conducen a pensar que las rocas de la capa (techo y piso) pueden, según su naturaleza, contener grandes cantidades de metano, que se suman al metano del manto, cuando se afectan los terrenos por las labores mineras.
1.5.6 INFLUENCIA DE LA VENTILACION
Entre los factores de ventilación que influyen en la emisión de grisú, unos son naturales, como la presión barométrica; si ésta disminuye, la desgasificación aumenta. Durante la jornada de trabajo, le desgasficación es bastante irregular y aumenta, especialmente en los turnos de picada del carbón (arranque). Otros factores son artificiales e inherentes a la acción del ventilador principal o auxiliar, con la repartición de las presiones entre los diversos puntos de la mina y sus valores están en relación con la presión atmosférica.
Para explicar los fenómenos que se relacionan con estas condiciones se puede citar varios mecanismos:
1. Desgasificación del metano (CH4) ocluido en el carbón, que es tanto más rápida si la presión exterior
es demasiado débil.
2. Evolución del volumen de gas contenido en reservas.
3. Corrientes gaseosas parásitas que se establecen entre la superficie y las excavaciones de la mina, o entre los diversos puntos de la mina, a través de grietas que atraviesan terrenos vírgenes o trabajos cargados de grisú.
1.5.7.1 DETECCION DEL GRISU
La detección del grisú en los trabajes de bajo tierra ha comenzado a preocupar a los explotadores de carbón, a medida que las minas van siendo cada día más profundas. Las características inflamable y explosiva del grisú, es básica para la detección y determinación de su porcentaje en bajo tierra.
El primer paso en la detección del grisú fue el descubrimiento de la lámpara de seguridad de DAVY en el año de 1.815, en 1.881 aparece el primer estudio serio sobre manómetros, debido a MALLARD y LE CHATELLIER
1.5.7.2 LÁMPARA DE SEGURIDAD:
Actualmente existen varios modelos de la lámpara original bastante mejorados, increíblemente se usa la bencina como combustible.
Las indicaciones dadas por lámpara de seguridad son cualitativas e imprecisas y solamente son validas en presencia de tenores que oscilen entre 1 y 5% de metano en el aire. La lámpara, es entonces un
grisuscopio, más que un grisúmetro. La enorme ventaja de la lámpara, hasta los actuales momentos,
ha radicado en que es al mismo tiempo un indicador de la ausencia de oxigeno, pues ella se apaga cuando el tenor de oxígeno es inferior al 16,25%.
Las partes esenciales de la lámpara de bencina son: - El encendedor
- El cierre magnético - El vidrio de protección
Existen varios métodos para destacar la visibilidad de la aureola: sin puntilla y con puntilla de sal:
1. SIN PUNTILLA DE SAL: La lámpara enciende con una llama azul y la aureola es de un color azul
claro, hasta color violeta, ver ANEXO 2.- FORMA DEL CONO LUMINOSO (aureola) DE LA LAMPARA DE BENCINA SIN PUNTILLA DE SAL.
2. CON PUNTILLA DE SAL: la aureola inicial es amarilla y la aureola formada es de color gris amarillento
,
ver ANEXO 1, FORMA DEL CONO LUMINOSO (aureola) DE LA LAMPARA DE BENCINA CON PUNTILLA DE SAL.Para precisar mejor el conocimiento de llama, se recomienda disponer de una pequeña cámara de combustión que nos permita conocer el tamaño y color de la llama en presencia de una atmósfera grisutuosa, consultar ANEXO 4.- CAMARA DE COMBUSTION PARA EL ESTUDIO DE LA AUREOLA DE METANO
Como desventaja al uso de la lámpara pueden citarse los desperfectos que puedan presentarse en las rejillas, vidrios, en el cierre o una corriente de ventilación fuerte que pueden iniciar una explosión, si hay grisú dentro de los límites explosivos es factible que ocurra este evento, ver ANEXO 5.- Fig. 1: CURVAS DE VARIACION ALTURA LLAMA SEGÚN PORCENTAJE DE OXIGENO. Fig. 2: COMPORTAMIENTO DE UNA LAMPARA EN FUNCION DE LA CONCENTRACION DE OXIGENO Y METANO DE UNA ATMOSFERA
En la actualidad el uso de la lámpara de seguridad ha sido prohibido en gran mayoría de los países europeos por las inseguridades que puede provocar. Por ello, ha sido reemplazada por el METANOMETRO aparato que sirve para medir la concentración del metano y el OXIGENOMETRO, aparato que mide la concentración, en volumen, del oxígeno en la atmósfera del aire estudiada, ver
ANEXO 6.- NORMA PARA LAS MEDICIONES DE LAS VARIABLES PARA EL CALCULO DE LA ABERTURA EQUIVALENTE.
Actualmente, en el mercado se ha introducido el Multidetector, aparato del que hablaremos más adelante.
Existen otros tres tipos de aparatos, utilizados en la detección y medición del metano que son: - Los aparatos de conducción catalítica
- Los aparatos interferómetros
- Los aparatos de conductibilidad térmica.
Aquí, solamente hablaremos de los aparatos de conducción catalítica, por ser este aparato, más usado en el caso de las minas de Acerías y cuyo uso se generalizó en nuestro medio, en el pasado y en los trabajos mineros del carbón en el mundo.
1. 5.7.3 METANÓMETRO:
El principio general de ellos, se basa en la combustión catalítica del grisú sobre un filamento, generalmente de platino, precalentado e insertado en una de las ramas de un puente Wheatstone. La combustión del metano calienta el filamento conectado al puente: resulta así una modificación de la resistencia y por consiguiente, se produce un desequilibrio del puente que está en relación directa con la concentración del grisú, de manera que miliamperímetro colocado en la diagonal de este puente puede ser graduado directamente en porcentaje (%) de CH4.
El metanómetro G.F.G. usado por las minas de Acerías Paz del Río S.A., en su apogeo, el Mod. G-70, estaba provisto de dos escalas para diferentes concentraciones.
Escala superior, de 0 a 2% de metano. Escala inferior de 0 a 5%
Este equipo, además, posee otras indicaciones especiales cuando los porcentajes están entre + 5 y 15%, más 15 y 60% y + 60 y 100%. Este aparato viene también provisto de una sonda o antena para muestrear los techos de las vías bajo tierra. Su precisión está dentro del rango ±0.1% de CH4.
1.5.7.4 APARATO ULTRAGAS:
En el laboratorio de las minas de Acerías se analizaba la concentración de una muestra de CH4 mediante
el empleo del aparato Whösthoff, explicado al principio de ese texto, al hablar de la detección del CO2 y
que ampliaremos en el ANEXO 3.- DESCRIPCION DEL EMPLEO DEL APARATO WÖSTHOFF, PARA EL ANALISIS DE CH4, CO2, CO
1.6 GASES DIVERSOS
1.6.1 ACIDO SULFHIDRICO:
Arde cuando se encuentra en una concentración superior al 6%, que constituye una mezcla explosiva. Es fácilmente soluble en el agua. Es reconocible por su olor característico a huevos podridos.
Fórmula: H2S. Peso específico: 1.19 (respecto al aire)
1.6.2 EFECTOS FISIOLOGICOS:
Es un gas venenoso en concentraciones de:
50 a 100 p.p.m.: produce síntomas leves tales como una ligera conjuntivitis e irritación de las vías respiratorias.
200 a 300 p.p.m.: ocasiona fuertes conjuntivitis e irritación de las vías respiratorias después de una hora de exposición.
500 a 700 p.p.m.: tenor peligroso, después de media hora de exposición.
700 a 1000 p.p.m.: intoxicación aguda, inconsciencia, paralización de la respiración y muerte.
1000 a 2000 p.p.m.: intoxicación inmediata, inconsciencia, paralización de la respiración y muerte en pocos minutos.
1.6.3 VALOR LIMITE PERMISIBLE (VLP)
La concentración máxima permisible en el reglamento Decreto 1335 es de 20 p.p.m, para 8 horas de trabajo.
1.6.4 ORIGEN EN LOS TRABAJOS MINEROS
Se debe a circunstancias propias en la formación de carbón. Descomposición de maderas abandonadas en viejos trabajos u otras materias orgánicas y por descomposición de algunos minerales que contengan azufre. Hay que tener en cuenta que este gas se disuelve en el agua, pudiéndose liberar posteriormente en cantidades importantes después de haber recorrido grandes distancias.
1.6.5 APARATOS DE DETECCION Y MEDIDA
A pesar de su olor característico, no es éste un medio seguro para su detección, pues los terminales de los nervios olfativos pueden paralizarse después de una o dos inhalaciones.
El método más sencillo, para su detección consiste en impregnar un papel de filtro con una solución de acetato de plomo, la que en presencia de H2S cambia su color a café o negro. También existen tubos
detectores para usar con una bomba de aspiración referencia Drager 19/31 o 21/31, de la casa Dräger de Alemania.
1.7.0 OXIDOS DE NITROGENO:
1.7.1 EFECTOS FISIOLOGICOS:
Los Óxidos de Nitrógeno son tóxicos. Según los efectos que pueden ocasionar las concentraciones de peróxido de Nitrógeno se clasifican así:
- 60 p.p.m. Producen irritación inmediata en la gargantas - 100 p.p.m. como mínimo provoca una tos persistente
- 100 a 150 p.p.m. concentración muy peligrosa durante exposiciones muy cortas.
- 200 a 700 p.p.m. rápidamente lleva a la muerte durante exposiciones relativamente cortas.
Su peligrosidad radica en que los óxidos de nitrógeno son capaces de disolverse en el agua de los pulmones formando ácidos nitrosos hasta nítricos, capaces de corroer las mucosas de las vías respiratorias.
El NO es mucho más nocivo e igual de tóxico como el NO2, en igual concentración.
1.7.2 VALOR LIMITE DE PERMISIBLE:
Su límite máximo permisible según reglamento Decreto 1335, en minas bajo tierra y para 8 horas de trabajo, es de 5 p.p.m.
1.7.3 ORIGEN EN LOS TRABAJOS MINEROS
Su formación en las minas está relacionada con el trabajo con explosivos, particularmente en voladuras incompletas de dinamita (deflagración). También entra como componente en el exhosto de los Motores diesel y de gasolina, en la salida de los gases.
1.7.4 DETECCION Y MEDIDA.
La medida de estos gases se efectúa mediante el empleo de tubos Dräger y una bomba de aspiración. Como indicador del óxido de Nitrógeno sirve, también, el papel humedecido con una solución de yoduro de potasio que se colorea rápidamente de azul en presencia de estos óxidos.
1.8.0 ALDEHIDOS
Los Aldehídos son, producidos principalmente por el funcionamiento de motores de combustión interna. Sin embargo, pueden presentarse también por la destilación del carbón en el curso de incendios.
El cuerpo humano es bastante sensible a tenores bajos en aldehídos: el olfato los detecta a partir de 1 x 10 6. Los efectos de exposiciones prolongadas a tenores débiles no se conocen muy bien y están en el campo de estudio. Ciertos autores los consideran como nocivos al organismo humano.
TABLA 1.1 CARACTERISTICA DE LOS GASES MÁS FRECUENTES EN LAS MINAS GAS FORMULA QUIMICA PESO ESPECIFICO Kg/m3 PROPIEDADES FISICAS EFECTOS NOCIVOS ORIGEN EN LOS TRABAJOS MINEROS DETECCCION Y APARATOS USADOS VLP PUNTO FATAL O
VALOR PELIGROSO OBSERVACIONES % PPM % PPM OXIGENO O2 1.1056 INCOLORO INODORO INSABORO NO ES
TOXICO AIRE NORMAL
RESPIRACION LAMPARA DE BENCINA OXIGENOMETRO MULTIDECTECTOR Min. 19 < 6% El reglamento establece 6m3 min. por cada hombre en un frente subterráneo NITROGENO N2 0.9673 INCOLORO INODORO INSABORO SOFOCANTE ASFIXIANTE AIRE NORMAL Y EN ESTRATOS ENTRE LAS CAPAS DE ROCA UN AUMENTO POR ENCIMA DEL VALOR NORMAL EXTINGUE LA LLAMA 80 GAS CARBONICO CO2 1.5291 INCOLORO INODORO SABOR LIGERAMENTE ACIDO, IRRITA LA VISTA ASFIXIANTE RESPIRACION ESTRATOS INCENDIOS VOLADURAS COMBUSTION INTERNA DE MAQUINAS , CUALQUIER COMBUSTION RESPIRACION, EXTINCION DE LA LLAMA EN LA LAMPARA DE BENCINA, BOMBA DE APIRACION Y TUBOS 0.5 5.000 >12 %
Por ser más pesado que el aire se le encuentra en el piso de las vías en bajo tierra METANO CH4 0.5545 INCOLORO INODORO INSABORO EXPLOSIVO ASFIXIANTE ESTRATOS, MANTOS DE CARBON, PUTREFACCION ATERIAS ORGANICAS LAMPARA DE BENCINA METANOMETRO, MRLTIDETECTOR Y MEDIDOR DE MEZCLAS EXPLOSIVAS Max. 1.0 5 a 15% mezcla explosiva
Por ser más liviano que el aire se le encuentra en las partes altas de las vías bajo tierra MONOXIDO DE CARBONO CO 0.9672 INCOLORO INODORO INSABORO VENENOSO Y EXPLOSIVO VOLADURAS, MOTORES DE COMBUSTION, INCENDIOS BOMBA DE ASPIRACION Y TUBOS, MULTIDECTECTOR 0.005 50 13-75% mezcla explosiva Tiene mucha más afinidad por la hemoglobina de la sangre que el oxígeno, forma con ella la carboxihemoglobina OXIDOS DE NITROGENO NO2 N2 O NO 1.5895 1.5192 1.0358 OLOR IRRITANTE, PARDO ROJIZO, SABOR AMARGO VENENOSO VOLADURAS MOTORES DE COMBUSTION, COMBUSTION INCOMPLETA OLOR, COLOR, BOMBA DE ASPIRACION Y TUBOS, MULTIDETECTOR 0.0005 5 0.005% 50 Es el gas más peligroso. En minas debe controlarse periódicamente en los frentes donde se produzca en voladuras con ANFO ventilar bien ACIDO SUFHIDRICO H2S 1.1912 OLOR A HUEVOS PODRIDOS, VENENOSO Y EXPLOSIVO AGUA DE ESTRATOS, VOLADURAS OLOR, BOMBA DE ASPIRACION, MULTIDETECTOR 0.002 20 4-46% mezcla explosiva 1000 ppm causa muerte Ocupa el segundo lugar de peligrosidad. Los frentes donde
1.9 ASPECTOS RELATIVOS A PROBLEMAS CON LOS GASES
Respecto a los problemas de gases, es bueno tener en claro las siguientes consideraciones:
Esta relación es de volumen. Esta ecuación nos lleva a concluir que una persona, en el caso de la mina, un trabajador minero, en la ejecución de una actividad determinada consume una determinada cantidad de oxígeno y por consiguiente de aire. Estudios médicos han dado como resultado las cifras que aparecen a continuación en la tabla siguiente:
TABLA 2 ACTIVIDAD RESPIRA CIONES POR MINUTO AIRE INHALADO EN CADA RESPIRACIÓN LITROS TOTAL AIRE INHALADO LITROS/MIN OXIGENO CONSUMIDO LITROS/MIN COCIENT E RESPIRA TORIO REPOSO 12-18 0.4-0.71 5-13 0.283 0.75 MODERADA 30 1.5-2 46-59 1.98 0.90 ESFUERZO 40 2.5 98 2.83 1.00
De acuerdo con la tabla anterior y el máximo cociente respiratorio, la cantidad de bióxido de carbono (CO2) expulsado en la respiración al inhalar el volumen de oxígeno establecido en la tabla 2, es igual a
2,83 litros/minuto, para un trabajo con esfuerzo.
El reglamento de Seguridad en las Labores Subterráneas, Decreto 1335 de 1987, establece 6 m3/min. de aire para cada trabajador que labore en la mina.
Para el cálculo de la cantidad mínima de aire requerida en el proceso de respiración, deben tenerse en cuenta los siguientes compromisos del reglamento anterior, en el capitulo de ventilación:
Límite de seguridad (%) en volumen de oxígeno en la atmósfera de trabajo, según lo establecido en el reglamento anterior: 19%
Contenido máximo permisible, de gas carbónico CO2, según el reglamento antes mencionado 0.5%. PROBLEMA 1.- Calcular la cantidad de aire necesaria, “Q” de acuerdo con el cuadro anterior, en m3/minuto.
Solución: Para la solución a este problema nos situaremos en una actividad de trabajo con mucho esfuerzo, que es la actividad que realiza, regularmente, un minero en bajo tierra.
ECUACION DE CONSUMO
Cantidad de O2 el aire – Cantidad de O2 para respiración = Cantidad Min. de O2 en frente
0.21*Q – 2.83 litros/min.* 1m3
/1.000litros = 0.19*Q
De donde: Q = 0.00283/(0.21-0.19) = 0.1415 m3/minuto, o sean 141.5 litros/min. de aire
PROBLEMA 2.- Como en el ejemplo anterior, calcular “Q” requerido en m3/min. DATOS DEL PROBLEMA: Máxima Concentración de CO es igual a: 0.5%.
