ELEMENTOS DE VENTILACION DE MINAS
Ing. Minas Yesid Castro Duque – UFPS
Trabajo presentado como requisito para ascenso en el escalafón docente
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER SEPTIEMBRE DE 2007
TABLA DE CONTENIDO
Pag.
INTRODUCCION 1
1. REFERENCIA HISTÓRICA DE LA VENTILACION 3
2. ATMÓSFERA MINERA 4
2.1. DESCRIPCIÓN DE LOS GASES MAS FRECUENTES EN MINAS 6
2.1.1. Grisú 6
2.1.2. Monóxido de carbono. 11
2.2. EFECTOS FISIOLOGICOS PRODUCIDOS POR LA PRESENCIA
DE GASES 16
2.3. FORMAS Y MEDIOS DE DETECCIÓN DE GASES 18
2.3.1. El Penitente 18
2.3.2. Lámpara de Llama abierta 19
2.3.3. Lámpara de Seguridad 19
2.3.4. Bomba de Fuelle. 22
2.3.5. Monitores digitales 25
3. AFOROS DE VENTILACIÓN 27
3.1. TEMPERATURAS 27
3.2. VELOCIDAD DEL AIRE 33
3.3. AREA 36.
3.4. CAUDAL 36
4. CÁLCULO DEL CAUDAL NECESARIO EN UNA OPERACIÓN MINERA 37 4.1. CAUDAL REQUERIDO PARA RESPIRACION DEL PERSONAL 37
4.3. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR GASES PRODUCTO DE LA
VOLADURA 38
4.4. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR GASES DE LA MAQUINARIA 40 4.5. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR POLVOS 47 4.6. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR OTROS GASES POR DEBAJO
DEL MAC. 47
5. INCIDENCIA DE FACTORES CLIMATICOS EN EL CÁLCULO DE LA
VENTILACIÓN PRINCIPAL. 49
6. TRADUCCIÓN DE UN EJEMPLO DE RESCATE DESPUÉS DE UNA
LISTA DE TABLAS Pag.
TABLA No 1. COMPOSICION DE LA ATMOSFERA MINERA 4.
TABLA No 2. CARACTERISTICAS DE LOS GASES MÁS FRECUENTES 12.
EN LAS MINAS.
TABLA No 3. HUMEDAD DE SATURACION HS 31.
TABLA No 4. VALORES DE f APROXIMADO SEGÚN EL TIPO DE EQUIPO
UTILIZADO 40.
TABLA No 5. LONGITUDES EQUIVALENTES PARA LOS ELEMENTOS DE
LISTA DE FOTOS Pag.
Foto No. 1. Multidetector de Gases INDUSTRIAL SCIENTIFIC MG 140 7.
Foto No. 2. Metanómetro OLDHAM EX 2000. 8.
Foto No. 3. Equipo HAZ-DUST (Particulate Air Monitoring Equipement)
de la UFPS 11.
Foto No 4. Lámpara de llama abierta de HISPANIA. España 1951. 20.
Foto No 5. Lámpara de la American Safety con Grisúmetro BERD –
Mackie USA. 21.
Foto No 6. Bomba Dragar (de fuelle) del laboratorio de minas de la UFPS. 25.
Foto No 7. Monitor PRO GASBADGE de industrial Scientific. 26.
Foto No 8. Multidetector M40 de INDUSTRIAL SCIENTIFIC para O2, CO,
H2S y CH4 26.
Foto No 9. Sicrómetro de Agitación del laboratorio de Minas de la
UFPS. 28.
Foto No 10. Sicrómetro de Assman del laboratorio de Minas de la UFPS. 29.
Foto No 11. Sicrómetro Eléctrico del laboratorio de Minas de la UFPS. 29.
Foto No 12. Sicrómetro digital. 30.
Foto No 13. Anemómetro digital marca Testo del laboratorio de Minas de la
UFPS. 35.
Foto No 14. Anemómetro digital marca BRUNTON del laboratorio de Minas
LISTA DE ANEXOS Pág
ANEXO No 1. TRADUCCIÓN DE LA TRAGEDIA POR LA EXPLOSIÓN DE
INTRODUCCION
Este trabajo presenta una recopilación de algunos elementos básicos sobre ventilación de minas, que ayudarán al estudiante de Ingeniería de Minas a clarificar ciertos conceptos que no se encuentran en textos y Bibliografía en general de esta área. Se hace un resumen de la atmósfera minera, el comportamiento de los gases mas frecuentes en minas y los medios de detección más comunes utilizados desde épocas pasadas hasta los de tecnología de punta utilizados hoy en día. Con relación a los equipos, se muestran los que el laboratorio de minas posee para el servicio de la comunidad académica de la UFPS, haciendo relevancia a que este laboratorio posee equipos para realizar aforos de ventilación, modernos y que muchas empresas e instituciones de la región no poseen; esto para hacer que el estudiante tenga sentido de pertenencia y ayude a cuidar tan importantes equipos que son básicos para brindar seguridad en las visitas de campo realizadas a las diferentes minas.
Se hace también una comparación de la normatividad Colombiana actual sobre higiene y seguridad, específicamente del decreto 1335 de 1987 (Reglamento de seguridad en las labores subterráneas) en su título 2 sobre ventilación, con la normatividad Chilena, país que posee una minería desarrollada y que sirve de modelo de comparación para efectuar algunos análisis. De igual forma se realiza la traducción de algunos ejercicios de textos en inglés y la solución de otros planteados en los citados libros. Esperando que este trabajo sea una herramienta aliada para los estudiantes de ingeniería de minas que sirva de consulta básica
para entender y comprender la importancia de la ventilación de minas que debe ser considerada como la vida de la mina.
1. REFERENCIA HISTÓRICA DE LA VENTILACIÓN DE MINAS.
No se puede asegurar con exactitud, cuando se tuvo en cuenta un caudal necesario de aire limpio y fresco para suplir las necesidades de respiración del personal y diluir contaminantes; si se puede asegurar es que la ventilación de las minas subterráneas se hacia necesariamente por supervivencia y esto viene remontado a los inicios de la minería, donde se cavaban túneles o vías alternas para suplir las necesidades de aire. Generalmente la ventilación de los apiques o los túneles se hacia por difusión es decir una sola vía sin ningún medio para hacer llegar aire a los frentes; pero a medida que se profundizaban o se avanzaba la vía, las condiciones adversas hacían pensar en el principio básico de la ventilación: tener una vía de salida y una de entrada independientes para el aire, lo que se conoce hoy como ventilación natural.
“Los inicios de la Ventilación de Minas son difíciles de precisar, lo que sí puede señalarse es que, antes del siglo XVI la mayoría de los requerimientos actuales de ventilación, tales como suministrar el oxígeno necesario para la respiración de las personas, diluir y extraer polvo y gases tóxicos, ya eran materia de estudios e implementación de soluciones acorde con la época”1
.
La ventilación natural, la cual consiste básicamente en el movimiento de masas de aire al interior de las minas producto de diferencias de temperaturas entre las labores y la superficie y de la diferencia de altitud entre las galerías conectadas con superficie, fue ampliamente utilizada en los comienzos ; posterior a esto, se utilizó las caídas de agua en los piques para inyectar aire fresco al interior de las minas, también se encendían grandes hogueras en los piques para producir tiraje y levantar el aire contaminado desde el interior de las minas, hacia superficie. Luego se utilizaron grandes fuelles accionados por los mineros desde superficie y el aire era conducido a través de pequeños ductos; de igual forma se utilizaban pequeños ventiladores hechos en madera y movidos manualmente.
___________________________________________________________
1
En nuestro país y específicamente en la minería de la región, todavía encontramos minas con sistema de ventilación principal por tiro natural, la cual no es suficiente para suplir las necesidades, requerimientos y cumplir con los estándares mínimos que exige la normativa, ya que este tipo de ventilación además de ser poco fiable por lo inestable, las labores cada vez son más profundas aumentando la contaminación de la atmósfera minera, temperaturas y humedad relativa.
En el año 1850, un ingeniero inglés -John Atkinson- estableció las primeras bases sobre la cual se desarrollaría la Ventilación de Minas, constituyéndose ésta como una rama más de la Ingeniería de Minas. Atkinson dedujo que, la diferencia de presión requerida para inducir un flujo de aire a través de una galería minera, es proporcional al cuadrado de la velocidad, la longitud y perímetro de la galería, e inversamente proporcional al área de la misma; determinó, además, que el revestimiento interno de la galería influía en la diferencia de presión requerida para inducir el flujo.
2. ATMÓSFERA MINERA
La atmósfera minera debe ser muy similar a un ambiente en superficie, por eso debe cumplir con los siguientes estándares:
GAS % VOLUMEN
Nitrógeno 78,09
Oxígeno 20,95
Dióxido de carbono 0,03
Argón y otros gases raros 0,93
Total 100
TABLA No. 1. COMPOSICION DE LA ATMÓSFERA MINERA
Pero generalmente la atmósfera en una mina bajo tierra se ve alterada por una serie de contaminantes como gases, polvos, humos; también se ve afectada por cambios en la temperatura, humedad relativa, equipos y personal. Por lo anterior la ventilación es básica en este tipo de ambientes buscando básicamente lo
Disminuir Temperaturas. Disminuir la humedad relativa
Respiración ideal y eficiente del personal. Diluir gases y polvos.
La ventilación se realiza de dos formas, la primera de forma natural o por tiro natural y la otra forzada o mecanizada. La ventilación natural no es una ventilación fiable, por ser inestable y fluctuante; por eso en todo proyecto minero de tipo subterráneo siempre se debe calcular la ventilación de tipo forzada, sea principal o auxiliar.
Los contaminantes en una mina pueden ser de origen natural como lo son algunos gases y polvos o pueden ser introducidos y producidos por máquinas, equipos, maderas, explosivos, etc.
En toda mina se debe llevar un registro diario de ventilación, mediante aforos o medidas de los factores climáticos, propiedades del aire y caracterización de gases. En los comienzos de la minería era normal utilizar ciertas aves (canarios) para determinar la presencia de gases; pero más adelante se comprobó que estos animales en la mayoría de los casos eran más resistentes que los seres humanos a los efectos negativos producidos por la presencia de gases tanto asfixiantes como venenosos.
Estos aforos hoy en día se realizan con equipos digitales de alta precisión, aunque algunas empresas todavía conservan viejas bombas drager o lámparas de seguridad para realizar dichas medidas.
Finalmente se debe buscar que en las labores circule un flujo de aire, limpio y abundante, para no traumar las diferentes operaciones en la mina.
2.1. DESCRIPCIÓN DE GASES MÁS FRECUENTES EN MINAS
En la tabla 2 se encuentra un resumen de las características de los gases más frecuentes en minas, estas tablas han sido adaptadas del manual de ventilación de Hartman, y han sido actualizadas en lo referente a los equipos de detección.
2.1.1. Grisú (CH4).- Es una mezcla de metano y aire con algún gas más, pero el
que determina sus características es el metano. Dependiendo de los porcentajes se comporta de distinta manera:
0-5 % el grisú arde 5-15 % es altamente explosivo >15 % es asfixiante
Es un gas incoloro, inodoro, insípido, altamente combustible ardiendo con llama azulada y más ligero que el aire.
Medios de detección. La lámpara de bencina (de seguridad), los grisúmetros o
metanómetros y los multidetectores digitales son los usados para detectarlo. En la Foto No 1 se muestra un multidetector que además de medir Metano (CH4), sirve para detectar niveles de Oxígeno (O2), Monóxido de carbono (CO) y gas sulfhídrico (H2S); este equipo digital fabricado por Industrial Scientific es uno de los monitores que posee la Universidad Francisco de Paula Santander.
El Grisú es también conocido como gas de los pantanos y tiende a acumularse en los lugares altos de las labores con poca ventilación.
En el tajo aparece de distintas maneras:
Con un desprendimiento lento al liberarse entre el carbón y los hastiales.
Desprendimiento ocasional
audible sin violencia en grietas o fallas.
Desprendimientos instantáneos y violentos con proyección de sólidos.
La temperatura aproximada de inflamación es de unos 600º C, y la explosión puede venir provocada por fuego directo, choque entre metales o chispa eléctrica. Es un gas producto de la descomposición de material orgánico, muy típico de las
Foto No 1. Multidetector de gases INDUSTRIAL SCIENTIFIC MG140
En al foto No 2. se muestra un metanómetro fabricado por la OLDHAM y hace parte del kit de equipos pertenecientes al laboratorio de minas de la UFPS
Aunque la normatividad actual esta errada en clasificar las minas de carbón subterráneas, según la concentración de metano o grisú, debemos analizar que cualquier mina de carbón es potencialmente grisutuosa; de igual forma hay que romper con la creencia que el grisú se origina únicamente en minas de carbón, por ser este gas de origen orgánico hay otros tipos de yacimientos donde puede aparecer. Muchas pueden ser las causas que generan una explosión y generalmente después de las tragedias se generan todo tipo de conjeturas imperando la desinformación y la tergiversación de lo que realmente pudo pasar; en nuestro medio estas investigaciones muchas veces no muestran lo que
realmente sucedió, ya que se trabaja muy restringidamente con presupuestos y personal escasos.
Foto No 2. Metanómetro OLDHAM EX2000.
El grisú debido a su peligrosidad por ser altamente explosivo, ha generado demasiadas tragedias en minas de carbón a nivel mundial.
Nuestro país y específicamente Norte de Santander no han sido ajenos a tragedias en minas de carbón suscitadas por la acumulación súbita y explosión de grisú, podemos citar las siguientes:
Villa Diana se llama la mina de Amagá (Antioquia) en la que el 14 de julio de 1977
unos 100 mineros murieron calcinados, tras una explosión ocasionada por concentración de gas grisú. Días antes de la conflagración, que provocó un enorme derrumbe, los mineros habían alertado el peligro. Antes de la tragedia el
ventilador que ya no funcionaba y que producía una buena cantidad de aire para dispersar el gas grisú y disminuir la contaminación2.
17 de Octubre de 1997 aproximadamente a las 7:40 a.m. en las Minas Diviso y
Orocué del municipio del Zulia, mueren 16 personas por explosión, se cree que inicialmente fue provocada por acumulación de polvo de carbón3.
26 de abril de 2001en la mina “Cañabrava” situada en el cerro de tasajero de
Cúcuta, mueren 15 mineros por explosión de Grisú.
3 de diciembre de 2004 en la mina Caracolí de la vereda el mestizo del Zulia
mueren 8 trabajadores.
3 de febrero de 2007. Se suscita la mayor tragedia que se ha presentado en el
departamento y una de las mas grandes del país, donde mueren 32 mineros de las minas La preciosa y San Roque del corregimiento de san roque en el municipio de Sardinata.
Polvo en suspensión.- Tiene diversos orígenes en su generación:
Material transportado por vía o cinta.
Corriente de ventilación
demasiado fuerte.
Cargue de materiales (tecla de descargue, tolvas), frentes de preparación...
Perforación de roca. Arranque de carbón. Evacuación del carbón en los
frentes. Rellenos...
Aparte del peligro de enfermedades como la silicosis también existe el riesgo de explosión, ya que el polvo de carbón arde con mucha facilidad y en caso de explosión el efecto se multiplicaría ya que la explosión ocasionaría más polvo en suspensión.
_____________________________________
2. EL TIEMPO. Miércoles 7 de Febrero de 2007. Artículo 2. 3. LAOPINION. Lunes 5 de Febrero de 2007.Página 5A
La mayoría de los mantos de carbón contienen polvo, en condiciones favorables con el aire forman una mezcla explosiva. Para que se realice la explosión se necesita de una serie de condiciones entre las cuales se tiene:
El polvo surge del manto, con un contenido de volátiles mayor del 10%.; debido al calentamiento del carbón los volátiles combustibles que se generan son: H2, CO, CH4, C2H6, CO2 y otros hidrocarburos pesados. El polvo de carbón para ser explosivo debe ser bastante fino,
especialmente los que pasan la malla 200. (menor de 1mm de diámetro). El polvo de carbón y el oxígeno del aire que fluye por las excavaciones
mineras, forman una nube. El límite inferior de explosividad es de 50 gr/m3, y el superior es de 1Kg/m3, siendo más peligroso cuando se encuentran concentraciones entre 300 a 500 gr/m3.
En cuanto a lo que se define como polvos respirables y teniendo en cuenta el artículo 48 del decreto 1335/87, los frentes de las minas se pueden clasificar según la concentración, para ello citamos el parágrafo1 del mencionado artículo:
Parágrafo 1. Se definen como frentes de grado I, II y III, los que en el momento de la medición tengan una carga de polvo entre 0-5 mg/m3, 5-8 mg/m3 y 8-12 mg/m3, respectivamente…..
Medios de detección. La medición del polvo se puede realizar con detectores
gravimétricos que hoy en día son poco utilizados por la complejidad del sistema, sobre todo para realizar el mantenimiento preventivo de este equipo; sin embargo, actualmente se utilizan equipos electrónicos digitales de lectura inmediata, bastante fiables, prácticos y fáciles de manipular. (Véase Foto No 3.)
Foto No 3. Equipo HAZ-DUST (Particulate Air Monitoring Equipement) de la UFPS
2.1.2. Monóxido de carbono CO. Gas muy venenoso, gran afinidad con la
hemoglobina de la sangre en 200 a 300 veces más, reduciendo el Oxígeno de los tejidos. El CO envenena principalmente al adherirse estrechamente a la hemoglobina en la sangre (formando carboxihemoglobina), reemplazando el oxígeno y reduciendo la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. El CO también puede envenenar al unirse a tejidos y células del cuerpo humano e interferir con sus funciones normales. Es comparado con un anestésico local, ocasiona intoxicación y debilidad que le impide movilizarse del sitio de trabajo. Los primeros auxilios deben ser el suministro de Oxígeno. Por regla general, no se presenta sintomatología clínica, cuando solamente existe una concentración en el aire inspirado de 0.01% de CO porque con esta concentración no se eleva la cantidad de la carboxihemoglobina arriba del 10%. Sin embargo, si la concentración es de 0.05%, entonces si podrá presentarse una elevación de la carboxihemoglobina hasta en un 20 %, lo que provocaría un cuadro patológico.
OXIGENO NITROGENO
O2 N2
1,1056 0.9673
INCOLORO, INODORO, INCOLORO, INODORO, INCOLORO, INODORO, SABOR
INSABORO INSABORO, SOFOCANTE
NO ES TOXICO AS FIXIANTE
AIRE NORMAL AIRE NORMAL, Y EN ESTRATOS RESPIRACION, ESTRATOS, INCENDIOS
ENTRE LAS CAPAS DELAS ROCAS VOLADURAS, MAQUINAS DE COMBUSTION
INTERNA, TODO TIPO DE COMBUSTION
RESPIRACION, LAMPARA UN AUMENTO POR ENCIMA DEL RESPIRACION, LAMPARA, DE SEGURIDAD
DE SEGURIDAD, OXIGENOMETRO VALOR NORMAL EXTINGUE LA LLAMA BOMBA DRAGER Y TUBOS Y APARATO
MULTIDETECTORES WOSTHOFF (LABORATORIO)
% 19 80
P.P.M.
% 6
P.P.M.
POR SER MAS PESADO QUE EL AIRE SE ENCUENTRA EN EL PISO DE LAS LABORES
TABLA No2. CARACTERISTICAS DE LOS GASES MAS FRECUENTES EN LAS MINAS
DETECTOR DIGITAL LIGEREMENTE ACIDO 1,5291 FORMULA QUIMICA PELIGROSO OBSERVACIONES GENERALES CONCENTRACION MAXIMA PERMISIBLE MAC DETECCION Y APARATOS
PUNTO FATAL O VALOR USADOS
FUENTE U ORIGEN EN LOS LOS TRABAJOS MINEROS EFECTOS NOCIVOS
0.5 5000
18
S GAS CARBONICO O ANHIDRICO
CARBONICO O DIOXIDO DE C
CO2
NOMBRE DEL GAS
ASFIXIANTE
PESO ESPECIFICO CON RELACION AL AIRE PROPIEDADES FISICAS
METANO CH4 0.5545 INCOLORO, INODORO, INSABORO EXPLOSIVO, AS FIXIANTE
ESTRATOS, MANTOS DE CARBON, COMBUSTIONES INCOMPLETAS
VOLADURAS, MAQUINAS DE COMBUSTION VOLADURAS, MAQUINAS DE COMBUSTION
INTERNA, PUTREFACCION DE SUSTANCIAS ORGANICAS
LAMPARA, DE SEGURIDAD, METANOMETRO OLOR, COLOR, MONITORES DIGITALES
BOMBA DRAGER Y TUBOS, APARATO BOMBA DRAGER Y TUBOS.
WOSTHOFF (LABORATORIO), MEDIDOR DE MEZCLAS EXPLOSIVAS
% 1.0
P.P.M.
% 4-16 MEZCLA EXPLOSIVA
P.P.M.
POR SER MAS LIVIANO QUE EL AIRE SE ES EL GAS MAS PELIGROSO EN MINAS
ENCUENTRA EN EL TECHO DE LAS LABORES DEBE CONTROLARSE DESPUES DE LAS
VOLADURAS ESPECIALMENTE DONDE SE UTILICE ANFO
TABLA No2 (CONTINUACION )CARACTERISTICAS DE LOS GASES MAS FRECUENTES EN MINAS
INTERNA
POSEE GRAN AFINIDAD CON LA SANGRE
0.005 50
5 13-75 MEZCLA EXPLOSIVA
MINICO O MONITORES DIGITALES BOMBA DRAGER Y TUBOS, APARATO WOSTHOFF (LABORATORIO).
VENENOSO
CARBOXI HEMOGLOBINA
PUNTO FATAL O VALOR
FORMANDO CON ESTA LA REACCION CO
VOLADURAS, MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA, TODO TIPO DE COMBUSTION INSABORO
INCENDIOS, COMBUSTIONES INCOMPLETAS
OBSERVACIONES GENERALES
PELIGROSO 300 PPM EN DOS HORAS CAUSA LA MUERTE
0.005
DETECCION Y APARATOS USADOS
PERMISIBLE MAC 50
CONCENTRACION MAXIMA 0.0005
LOS TRABAJOS MINEROS FUENTE U ORIGEN EN LOS
EFECTOS NOCIVOS VENENOSO Y EXPLOSIVO
PROPIEDADES FISICAS RELACION AL AIRE
PESO ESPECIFICO CON 0.9672 1,5895; 15192; 1,0358
INCOLORO, INODORO,
FORMULA QUIMICA NO2;NO;N2O
S
NOMBRE DEL GAS MONOXIDO DE CARBONO OXIDOS DE NITROGENO
ANHIDRIDO SULFUROSO HIDROGENO ALDHEIDOS RADON
SO2 H2 HXCYOZ Rn
2,2636 0.0694 1.17 7.665
TOXICO EXPLOSIVO Y TOXICO TOXICO RADIOACTIVO
AGUA DE ESTRATOS, VOLADURAS SE INCENDIOS , COMBUSTION DE SULFUROS INCENDIOS , AGUAS ACIDAS MAQUINAS DE ESTRATOS ENCUENTRA OCLUIDOS EN ESTRATOS VOLADURAS, MAQUINAS DE COMBUSTION BATERIAS COMBUSTION INTERNA
(BOLSAS) INTERNA.
OLOR, MONITORES DIGITALES AZUFRE, OLOR, MONITORES DIGITALES EXPLOSIMETRO OLOR DENSIDAD EL CONTADOR PARA
BOMBA DRAGER Y TUBOS. BOMBA DRAGER Y TUBOS. SUSTANCIAS RADIOACTIVAS
% 0.002 0.0005 0.0005-0.001
P.P.M. 20 5 5 A 10
% 4-46% MEZCLA EXPLOSIVA 4-46% MEZCLA EXPLOSIVA 4-74 MEZCLA EXPLOSIVA
P.P.M. 1000 CAUSA LA MUERTE 1000 CAUSA LA MUERTE
OCUPA EL SEGUNDO LUGAR EN GRADO DE PELIGROSIDAD
OBSERVACIONES GENERALES PUNTO FATAL O VALOR PELIGROSO PERMISIBLE MAC CONCENTRACION MAXIMA USADOS DETECCION Y APARATOS FUENTE U ORIGEN EN LOS LOS TRABAJOS MINEROS
VENENOSO Y EXPLOSIVO
EFECTOS NOCIVOS PROPIEDADES FISICAS RELACION AL AIRE
TABLA No 2.(CONTINUACION) CARACTERITICAS DE LOS GASES MAS FRECUENTES EN MINAS
PESO ESPECIFICO CON 1
H2S
FORMULA QUIMICA
NOMBRE DEL GAS ACIDO SULFIDRICO
El CO es un veneno letal que se produce cuando se queman combustibles como la gasolina. Es uno de los muchos químicos que se encuentran en las descargas del escape de los motores y puede acumularse rápidamente aun en áreas que parecen disponer de buena ventilación. Debido a que el CO no tiene color ni sabor y no es irritante, puede abatir a la persona expuesta sin aviso. Produce debilidad y confusión, privando de esta manera a la persona de la habilidad de buscar ayuda.4 A veces es difícil reconocer las señales tempranas de envenenamiento con CO debido a que los síntomas tempranos de la exposición al CO (dolores de cabeza, mareos y náusea) no son específicos y pueden ser tomados equivocadamente como síntomas de otras enfermedades como resfriados, la gripe o envenenamiento con alimentos. La confusión y la debilidad pueden inhibir la capacidad de una persona de escapar de una situación de peligro.
Tres factores ejercen influencia sobre la severidad de los síntomas de la exposición al CO: (1) la concentración de CO en el ambiente; (2) la duración de la exposición, y (3) la carga de trabajo y frecuencia respiratoria. En general, suponiendo que los usuarios de los equipos con motor de gasolina estén ocupados al menos en un nivel moderado de actividad, la exposición a concentraciones de CO de 80 a 100 partes por millón (ppm) durante un período de tiempo de 1 a 2 horas puede resultar en tolerancia disminuida al ejercicio y, en las personas que corren riesgo, puede resultar en dolor de pecho y causar latidos cardíacos irregulares [EPA 1991a]. Entre los síntomas asociados con concentraciones de exposición al CO de 100 a 200 ppm están el dolor de cabeza, náuseas y deficiencia mental. Otros efectos sobre el sistema nervioso central más graves, el coma y la muerte, están asociados con concentraciones de exposición al CO de 700 ppm o más altas durante una hora o más [Ilano and Raffin 1990; Forbes et al. 1945].
________________________________________________________ 4. Alerta de NIOSH: 1996.Publicación No. 96-118 de DHHS (NIOSH)
Entre los síntomas de los efectos sobre el sistema nervioso central están tambalearse, confusión, cambios en la personalidad y dolores musculares. Estos síntomas pueden seguir presentándose varios días y hasta varias semanas después de terminar la exposición y la recuperación aparente de la persona envenenada. Las víctimas de envenenamiento con CO deben ser retiradas inmediatamente del sitio de la exposición y se les debe dar a inhalar 100% de oxígeno. Las cámaras hiperbáricas proveen oxígeno bajo presión y a veces son necesarias en caso de envenenamiento grave con CO.
2.2. EFECTOS FISIOLÓGICOS PRODUCIDOS POR LA PRESENCIA DE GASES
OXIGENO O2
CONCENTRACIÓN
21-18% Respiración normal
18-12% Aumenta el ritmo respiratorio 12-9% Vómito, Cianosis, Astenia.
10-6 Cianosis intensa, respiración baja y rápida, espasmo respiratorio
5-3% Muerte en poco tiempo.
Cianosis: cuando la piel toma una coloración azul, negruzca o lívida. Astenia: Decaimiento
Disnea: Dificultad para respirar.
NITRÓGENO N2. No tiene ninguna acción química sobre la respiración, el peligro está en que disminuye el porcentaje de Oxígeno.
GAS CARBÓNICO CO2
CONCENTRACIÓN
0.03% Respiración normal
ÁCIDO SULFHÍDRICO H2S Según algunos médicos, la exposición por más de tres minutos a altos niveles de gas sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno, genera un edema pulmonar casi irreversible. Esta inhalación produce una hinchazón interna del pulmón que ocasiona con los líquidos, que circulan con la sangre se queden estancados5.
CONCENTRACIÓN
0.005-0.010% Irritación en vías respiratorias y leve conjuntivitis.
0.020-0.030% Fuerte conjuntivitis e irritación de vías respiratorias
0.050-0060% Catarro, vómitos, cólico. Muerte después de media hora de efecto.
0.070-0.1% Peligro agudo de envenenamiento, pérdida del conocimiento, parálisis respiratoria y muerte.
1.0% Pérdida del conocimiento y muerte en pocos minutos
ÓXIDOS DE NITRÓGENO N02, NO
CONCENTRACIÓN
0.060% Irritación en la garganta,
0.1% Tos persistente
0.10-0.15% Concentración peligrosa en exposiciones cortas
0.2-0.70% Rápidamente producen la muerte.
_______________________________________
BIÓXIDO DE AZUFRE. SO2
Aumento de la frecuencia de pulso. Aumento de la frecuencia respiratoria. Disminución del volumen ventilatorio. Aumento de la resistencia pulmonar.
Disminución de la secreción del moco nasal. Deterioro del transporte mucociliar en la nariz.
2.3. FORMAS Y MEDIOS DE DETECCION DE GASES.
En las siguientes páginas se plasmará un resumen de la historia y evolución de las formas y medios de detección de algunos gases frecuentes en las minas subterráneas.
2.3.1. El Penitente. Fue una forma inhumana utilizada en algunos países,
Europeos. Un hombre que estaba condenado a muerte por la justicia, recorría las galerías antes de la entrada de los mineros portando una larga vara en cuyo extremo permanecía encendida una antorcha, con el fin de ir inflamando los gases que pudieran estar concentrados en las vías de la mina.
De Gales proviene la primera referencia escrita sobre el penitente, y cuya fecha es la de 1.650. Es lógico suponer que cientos de ellos perecieron a causa de explosiones o quemaduras mientras efectuaban su peligrosísima tarea. En España, parece ser que el empleo del penitente se desarrolló en determinadas minas asturianas o en las de carbón de Villanueva del Río y Minas6.
ASOCIACIÓN DE MUSEOS, GRUPOS Y COLECCIONES DE MINERALOGÍA Y PALEONTOLOGÍA _______________________________________
6 SANCHIS, José Manuel. Del Escrito “Luz en las Tinieblas” material de la Asociación De Museos, Grupos y Colecciones De Mineralogía y Paleontología. España. 2003
Después en 1733, C. Speeding introdujo en la mina de carbón de Whiteheaven en Inglaterra, un curioso aparato que supondría toda una revolución para la época. Se trataba de "la rueda de Speeding", una especie de molinillo dotado de una rueda de acero sobre la cual el minero aplicaba una piedra de sílex, y cuyas chispas eran toda la iluminación que se disponía para trabajar en el interior de tan obscuras galerías. En teoría, las chispas que el pedernal producía no tenían la suficiente temperatura para hacer deflagrar los gases, hecho que no era cierto y que causó más de una muerte, entre ellas la del propio inventor, Speeding.
2.3.2. Lámpara de llama abierta. En nuestro país y en la región
Nortesantandereana todavía se encuentran minas, donde es común la utilización de lámparas de llama abierta (de carburo), las cuales han sido utilizadas por algunos mineros como medio de detección de grisú o la ausencia del Oxígeno; sin embargo esta siempre ha generado un alto riesgo cuando las concentraciones de grisú son altas, de hecho a estas lámparas se les atribuye la generación de muchos accidentes por explosiones de metano. En la Foto No 4. se muestra una típica lámpara de llama abierta. En cuanto a este aspecto el decreto 1335 /87 en el artículo 34 en el inciso b del parágrafo, también es permisivo al contemplar el uso de estas para minas clasificadas como categoría I en cuanto a disposiciones especiales para minas grisutuosas.
2.3.3. Lámpara de Seguridad (bencina). AAraíz de un terrible accidente ocurrido el 25 de Mayo de 1812 en la mina Felling de Inglaterra, que causó casi un centenar de muertos, se creó en Sunderland la "Sociedad para la prevención de accidentes en minas de carbón", de la que formaba parte el doctor Clanny; quien vivamente conmovido por el número creciente de víctimas que se producían en las minas de carbón, decidió abordar científicamente el problema. En una comunicación fechada el 20 de mayo de 1813, describió su primera lámpara, que fué probada en las minas de Wallsend y Leefield, y que más tarde sería modificada (1816). Un segundo modelo, construido también en 1813, le reportaría una medalla de oro otorgada por la Royal Society algunos años después. Ninguna
de las lámparas de Clanny, consiguieron erradicar el problema, pero dejaron abiertas líneas de investigación para que otros científicos e inventores siguieran estudiando el fenómeno7.
Foto No 4. Lámpara de llama abierta de HIPANIA. España 1951.Fuente http://mineria.iespana.es
En 1815 Sir Humphry Davy construyó una lámpara con una rejilla de cobre, a través de la cual se podía diferenciar claramente los distintos colores de la llama y sus distintas alturas. Más tarde cubrió la llama con un cilindro de red metálica, y tras algunos experimentos en laboratorio, se comprobó en la mina Hebburn que la llama no encendía el gas que se encontraba en el exterior. La rejilla refrigeraba el metano que penetraba en el interior de la lámpara, impidiendo su inflamación, y aún en el caso de que este se inflamara, la rejilla impedía que las llamas salieran al exterior de la misma, llegando incluso a apagarse. (Véase Foto No 5.) A la vista de estudios y fechas, resulta difícil atribuirle la paternidad de la lámpara de seguridad a Clanny, Davy o Stephenson, pero en honor a la verdad hay que hacer constar que el "descubrimiento oficial" se le atribuyó siempre a Davy, más por credibilidad científica que por exactitud de fechas.
En cualquier caso, ninguno de los tres desearon atribuirse derecho alguno sobre sus inventos renunciando a todo tipo de patente o registro.
Foto No 5. Lámpara American Safety Lamp, con grisúmetro Beard-Mackie. USA, 1925. (Fot. J.M. Sanchis).
Fuente. http://mineria.iespana.es
A partir de 1816, tanto los modelos de Davy como los de Stephenson fueron paulatinamente mejorados, siendo numerosos los fabricantes que abordaron su construcción y difusión comercial, introduciendo diferencias según la región donde eran empleadas o por su específica utilización. Ambos tipos de lámparas eran generalmente suministrados con un sencillo cierre de seguridad, que consistía en un tornillo vertical que aseguraba las dos partes de la lámpara, pudiéndose únicamente liberar mediante herramienta especial.
Las lámparas Davy tuvieron una rápida aceptación en el continente europeo, siendo equipadas con lámparas expresamente traídas desde Gran Bretaña las
primeras lampisterias francesas y belgas, en 1816. El resto de la minería continental retrasaría algo más la introducción de estos modelos, como es el caso de Alemania (Prusia), que no lo haría hasta los años 20 del siglo XIX, pero que seguiría utilizando las populares lámparas "frosch" de llama libre hasta su definitiva prohibición, en 1900.
En la Figura No 1. se muestra la .Plantilla para determinar la concentración de metano de acuerdo al tamaño y color de la llama cuando se utiliza lámpara de Seguridad; la llama se reduce a aproximadamente 12 mm. Cuando la concentración de metano es de 0% y se mantiene constante su altura hasta el 1%; además, conserva un color amarillo; a partir de ahí la llama se torna azulada lo que indica que el metano esta ardiendo.
mm 40 35 30 25 20 15 10 5 0 % 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 2.0 3.0
Figura No. 1.Plantilla para determinar la concentración de metano de acuerdo al tamaño y color de la llama cuando se utiliza lámpara de Seguridad
2.3.4. Bomba de fuelle (drager) y tubos colorimétricos. El equipo de detección
está compuesto por una bomba de tipo pistón o fuelle accionada por un muelle y un juego de tubos indicadores de cristal que contienen las sustancias químicas específicas para cada gas. La bomba tiene una capacidad de 100 cc y puede accionarse con una sola mano, de modo que pase una muestra de ese volumen a través del tubo indicador antes de pasar al fuelle. El indicador de alarma en la escala graduada corresponde al nivel mínimo de decoloración general y no al punto más profundo de penetración del color. El aparato es fácil de manejar y no necesita calibración. Sin embargo, hay que adoptar ciertas precauciones:
Los tubos indicadores (que deben estar fechados) suelen tener una vida de almacenamiento de dos años;
Un tubo indicador puede reutilizarse unas diez veces mientras no sufra ninguna decoloración;
La precisión general de cada medida suele situarse en torno a ± 20 %; Los tubos para hidrógeno no pueden utilizarse en instalaciones
subterráneas por el intenso calor generado
Hay que utilizar un “tubo previo” relleno de carbón vegetal activado cuando se observen niveles bajos de monóxido de carbono en presencia de gases de escape diesel o de hidrocarburos superiores que pueden existir después de una explosión;
Los gases de escape deben pasar por un sistema de refrigeración para enfriarlos por debajo de 40°C. antes de pasar por el tubo indicador
Los tubos para oxígeno y metano no se deben utilizar en instalaciones subterráneas por su falta de precisión.
En cuanto a la bomba hay que prestar atención con la hermeticidad del fuelle, y que el contador este funcionando para saber el número de bombazos.
Es un medio que hoy en día todavía se utiliza, no solamente para el análisis de atmósfera minera, sino también de otras actividades que implican la presencia de gases y sustancias gaseosas en la atmósfera; su uso se ha restringido por varias razones pero una de las más notables es el costo y la consecución de los tubos. En la Figura No 2 se muestra el esquema del corte de una bomba de fuelle.
Tubos detectores (drager, MSA). Un tubo detector es un aparato de mano que
funciona al pasar aire a través de este. El aire causa un cambio de color en el tubo y esto indica la cantidad de químico peligroso que está en el aire. Se usa para medir la concentración de gases o vapores. En el Mercado se pueden conseguir gran variedad de tubos; sin embargo para nuestro país es complicada la consecución de estos.
Figura No 2. Esquema de la Bomba de fuelle
Ventaja del tubo detector:
Indica inmediatamente la cantidad de químico peligroso en el aire.
Desventajas del tubo detector:
No es muy exacto.
Solamente mide la cantidad de químico en el aire en ese momento y no a lo largo de 8 horas de trabajo. Es decir el tubo es para una sola medición, luego se desecha.
Las bombas deben ser revisadas y calibradas Los tubos expiran.
En la Foto No 6. se muestra una de las Bombas de fuelle de marca Drager que posee la UFPS en el laboratoriode Minas.
Foto No.6. Bomba drager (de fuelle) del Laboratorio de Minas de la UFPS
2.3.5. Monitores digitales. Aparatos modernos que se han venido imponiendo en
el campo de la minería debido a la fiabilidad, fácil manipulación, costos asequibles y mantenimiento. Existen los que miden un gas hasta los que miden 4 o más gases al mismo tiempo, denominados multidetectores. Hoy en día se consiguen detectores para un solo gas, con sensores intercambiables para medir otro tipo de gas. Estos equipos poseen sensores electroquímicos y baterías recargables.
Un ejemplo es el monitor que aparece en la Foto No 7., el PRO GASBADGE, que posee sensores inteligentes intercambiables que permiten que se adapte rápidamente a niveles peligrosos de oxígeno o cualquiera de los siguientes gases tóxicos: CO, H2S, NO2, SO2, Cl2, ClO2 y HCN; posee alarma audible complementada mediante alarmas vibratorias y visuales, es resistente al agua. La navegación es sencilla e intuitiva mediante cuatro botones. En la foto No. 8 se
muestra un multidetector para la medición de 4 gases: O2, CO, CH4. y H2S, este tipo de equipos son muy utilizados en la minería de la región.
Foto No 7. Monitor PRO GASBADGE de Industrial Scientific. Fuente www. Indsci.com
3. AFOROS DE VENTILACION
Cuando se realiza una estación de medida en la mina, donde además del análisis de la atmósfera minera en cuanto a concentración de gases, se realicen otro tipo de mediciones como: temperaturas (seca y Húmeda), cálculo de la humedad relativa, velocidad del aire y sección de la vía, lo denominamos aforo de ventilación. Los aforos son una herramienta básica para conocer la atmósfera minera y así poder determinar los parámetros y necesidades en cuanto a requerimiento de aire y cálculo de ventilación principal y auxiliar.
3.1. TEMPERATURAS.
Para realizar esta medida se utiliza el sicrómetro, aparato que básicamente
consta de dos bulbos o termómetros semejantes que miden la temperatura seca y húmeda respectivamente, la diferencia radica en que el termómetro para medir la húmeda está envuelto en un tejido que se mantiene siempre humedecido; Se busca crear una corriente de aire, para ello se agita, se enciende una cuerda o un molinete según el tipo de sicrómetro a utilizar.
Principio de funcionamiento. La evaporación desde la superficie del bulbo
húmedo dentro de la corriente de aire enfría el bulbo húmedo hasta una temperatura estacionaria tal que haya un equilibrio entre el calor perdido por la evaporación y el ganado por la convección y radiación. Esta temperatura depende de la presión, temperatura y humedad de la atmósfera. Así pues cuando se dispone de un valor aproximado de presión, la humedad puede obtenerse a partir de las temperaturas observadas de los bulbos húmedo y seco.
Tipos de sicrómetro.
De agitación. Al hacer girar el sicrómetro, el aire fluye sobre los bulbos húmedo y seco. Este tipo de sicrómetros no es tan exacto como uno ventilado por otros métodos, porque la temperatura del elemento húmedo comienza a elevarse tan pronto como el movimiento cesa para leer los termómetros (véase Foto No. 9).
Assman. Es el más utilizado, un ventilador pequeño accionado por un motor eléctrico o con mecanismo de relojería lleva el aire axialmente sobre los termómetros de mercurio. El agua debe ser agregada manualmente al elemento húmedo entre cinco a quince minutos antes de la medición bajo condiciones ambientales normales. (véase Foto No. 10)
Eléctrico. Funciona con baterías de 1,5 voltios, la corriente eléctrica sirve para accionar un pequeño molinete o ventilador que será el encargado de generar la corriente de aire necesaria para la medición, de igual forma que el Assman la humectación del bulbo para medir la temperatura húmeda tiene que hacerse en forma manual; el sicrómetro de la imagen no puede ser utilizado en ambientes grisutuosos por no poseer hermeticidad (seguridad intrínseca) y estar expuesto a generación de chispas. (véase Foto No. 11)
Digital. Es un equipo muy práctico ya que suministra directamente la lectura de la humedad relativa, mientras que con los demás hay que utilizar un nomograma o se calcula mediante fórmula. (Véase Foto No 12).
Foto No 9. Sicrómetro de agitación del laboratorio de Minas de la UFPS Bulbo húmedo
Foto No. 10. Sicrómetro de Assman del Laboratorio de Minas de la UFPS
Foto No 11. Sicrómetro eléctrico del laboratorio de minas de la UFPS
Molinete
Foto No 12. Sicrómetro digital. Fuente digital Instruments. Multiples Ltda.
La humedad relativa (HR) se calcula en base a una fórmula:
HR = (HA/HS)*100
Donde:
HA es la humedad absoluta HS) es la humedad de saturación. .
(HA) es la cantidad expresada en gramos del vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire a aquella determinada temperatura.
(HS) es la cantidad máxima en gramos de vapor ácueo que puede contener un metro cúbico de aria a aquella determinada temperatura.
La deferencia entre humedad absoluta y saturada es clara, generalmente la absoluta es siempre más baja que la saturada.
Con la Tabla No 3 se puede calcular la humedad de saturación a partir de una temperatura dada.
Tabla No 3.Humedad de saturación HS
Temperatura (°C) HS (g/mc) -5 3.3 0 4.8 5 6.8 10 9.4 14 12.0 18 15.3 24 21.6 25 22.9 26 24.2 30 30.1
Otra forma de obtener la humedad relativa es el nomograma utilizado con los sicrómetros de agitación y eléctrico (Chart). El procedimiento es sencillo:
Se humedece el bulbo húmedo y se inicia la agitación del sicrómetro, si es el de Assman se le da cuerda o se enciende si es el eléctrico.
Se esperan entre 1 y 5 minutos para tomar la lectura.
Con la ayuda del Nomograma se interpolan las temperaturas seca y húmeda y se obtiene el porcentaje de humedad relativa. (véase La figura No. 3)
3.2. VELOCIDAD DEL AIRE.
Es una medida fundamental en la realización de aforos de ventilación pues conociendo la velocidad del aire y la sección de la vía podemos conocer la cantidad de aire que fluye por determinada vía; para determinar este parámetro se utiliza el anemómetro.
Tipos de Anemómetro.
Mecánico. Es un pequeño aeromotor, que posee una rueda alada de aluminio,
cuyo número de revoluciones es proporcional a la velocidad del aire, impulsa un mecanismo indicador, que posee una graduación que permite registrar el camino recorrido por el aire en un cierto tiempo de medición.
V = Lectura del instrumento ft o m. / tiempo controlado min. El tiempo va de 1 a 4 minutos; el rango oscila entre 9 a 1500 m. / min.
Digital. Tiene un rango de 50 a 6000 ft/min. o de 0.2 a 30 m/seg., utiliza una
batería de 9V (Véase fotos No. 13 y 14). Existen criterios para efectuar las mediciones: a) Método lectura central:
El anemómetro se ubica en el centro de la labor y se realiza una sola medición durante un minuto. El resultado de la medida debe castigarse en un 20 % para obtener la lectura real.
Vel. Medida = Vm = D/T D = distancia.
Vel. Real = 0.8 * Vm (recomendable para labores con secciones libres menores o iguales a 4 m2.)
b) Método de lectura traversa:
Utilizado para labores con secciones mayores a 4 m2 y labores de corrientes principales de ventilación por las cuales circula aire fresco.
.- Traversa continua. Consiste en planificar un recorrido por toda la sección. Este movimiento se hace lentamente y los cambios de dirección, en forma perpendicular. Se debe tomar o controlar el tiempo de barrido y se debe llegar a unos 10 cm. de los respaldos.
Vr = V medición * (S - 0.47/S) Corrección
La fórmula indicada es para labores mayores a 2 m. de altura libre, en la cual se utiliza varilla de extensión y el operador se ubica al costado del instrumento lo más escondido posible (S : sección de la labor mts2).
Vr = V medición * 1.14 Esta fórmula es utilizada para labores de altura libre menores a 2m. El operador se ubica frente a la corriente (Anemómetro en la mano).
La ecuación general para determinar el caudal de aire en cualquiera de las dos situaciones estará dado por:
Q= S * Vmed * C - Traversa discontinua:
Método del reticulado: Se divide la sección en ocho a 24 cuadrados y en cada uno de ellos se hace una medición central (tiempo 1 min).
Vm = Vmi/n Vr = (0,95 - 1)*Vm
c. Método Posicional. (Discontinua).
En cada punto de medida se mantiene el anemómetro durante un tiempo breve predeterminado (10 - 12 seg). Tiempo máximo 2 minutos.
Si el número de posiciones es igual a 12, entonces t = 10seg.
Vm = distancia acumulada (m) / tiempo acumulado (seg.)
d. Método Cardinal.
Vm = Vm1 + Vm2 + Vm3 + Vm4/4 Vr = 0.97 * Vm
Vmi = promedio de las mediciones hechas en cada punto en m/seg..
Foto No 14. Anemómetro digital marca BRUNTON del laboratorio de Minas UFPS
3.3. ÁREA
Comprende la medida de la sección libre interna de los elementos de sostenimiento; o sea, el espacio por el cual se puede desplazar la corriente de aire. Las secciones son comúnmente trapezoidales, circulares, cuadradas rectangulares y elípticas. Para determinar su área se hace mediante el desarrollo matemático de su fórmula
3.4. CAUDAL
Este es otro parámetro importante cuando se realizan aforos. Este se calcula mediante la fórmula:
V = Velocidad del aire m/seg. A = Área m2
4. CALCULO DEL CAUDAL NECESARIO EN UNA OPERACIÓN MINERA.
Para realizar el cálculo de la cantidad de aire necesario en una labor o en una mina subterránea, se tendrá en cuenta la normatividad Colombiana, específicamente el decreto 1335 de 1987, Reglamento de seguridad en las labores subterráneas. Se harán algunas comparaciones con la normatividad de otros países citando ejemplos numéricos.
Son varios los parámetros a tener en cuenta para obtener la cantidad de flujo de aire necesario en un ambiente minero, básicamente los caudales necesarios y básicos a calcular son:
Caudal requerido para la respiración el personal. Q1. Caudal necesario para diluir el Grisú (metano) Q2.
Caudal necesario para diluir gases producto de la voladura Q3. Caudal necesario para diluir gases de maquinaria Q4.
Caudal necesario para diluir polvos Q5.
Caudal necesario para diluir otros gases por debajo del límite permisible Q6.
4.1. CAUDAL REQUERIDO PARA LA RESPIRACIÓN DEL PERSONAL Q1.
Para Colombia es necesario tener en cuenta el artículo 28 del decreto1335/87:
“El volumen de aire que circule en las labores subterráneas, debe calcularse teniendo en cuenta el turno de mayor personal, la elevación de estas sobre el nivel del mar, gases o vapores nocivos y gases explosivos e inflamables, cumpliéndose:
1. Excavaciones mineras hasta 1.500 m.s.n.m. 3m3/min. por cada trabajador. 2. Excavaciones mineras de 1.500 m.s.n.m., en adelante 6 m3/min. por cada trabajador
Teniendo en cuenta lo anterior tenemos:
Q1= q x n Donde:
q = Caudal de aire por persona (m³/min)
n = Numero máximo de personas en las labores.
Para Alemania se contemplan 6 m3/min. por cada trabajador y para CHILE el
Artículo. 132, D.S. Nº 132 (Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de
Minería, CHILE) contempla 3m3/min. por cada trabajador.
4.2. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR EL GRISÚ (METANO) Q2.
Q2 = k x p Donde:
k = Constante para diluir grisú equivalente a 0,0694 p = Producción máxima en la labor (ton).
Q2 = Caudal requerido según el desprendimiento de grisú (m³/min.)
4.3. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR GASES PRODUCTO DE LA VOLADURA Q3.
Q3 = 100*a*A/0.008*t Donde:
a = Constante para dilución de gases producidos por la voladura equivalente 0,04 (m³/kg).
El parámetro de la constante a se basa en la referencia que un Kilogramo de explosivo produce 0.040 m3 de gases especialmente de Nitrososos.
EJERCICIOS DE VENTILACIÓN
Se tiene una mina con una producción de 150 ton/día y sabemos que la desgasificación es de 8 m3/ton. La producción se extrae en dos turnos. Si queremos mantener la concentración de CH4 en 1%, cuál será la cantidad de aire necesario?8
Solución.
Tenemos que calcular el Volumen de Metano que se desprende en la mina en 24 Horas (volumen de desgasificación)= q.
q = 150 ton./día * 8 m³/ton q = 1200 m³/dia
Aplicamos La siguiente fórmula:
Q = 100 * q / (24 * 60 * V.L.P)
Donde V.L.P es el límite permisible del CH4 1%.
Q = 83,33 m³/min.
Ahora si aplicamos un factor de seguridad del 30% obtenemos un Caudal final igual a:
Q = 108,33 m³/min.
________________________
Observamos en este ejercicio otra formula opcional a la planteada en la página 38; siendo desfavorable por que al utilizar la del ejercicio, debemos medir la cantidad de gas por tonelada que se desprende en las diferentes labores mineras.
4.4. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR GASES DE MAQUINARIA Q4
Para el cálculo de este caudal se debe tener en cuenta el artículo 28, parágrafo 2 del decreto 1335/87:
Parágrafo2. En las labores subterráneas donde haya tránsito de maquinaria
Diesel (locomotoras, transcargadores) debe haber el siguiente volumen de aire por contenido de CO en los gases del exosto:
6 m3/min. por cada HP si los gases del exosto no superan los 0.12% de contenido de CO.
4 m3/min. por cada HP si los gases del exosto no superan los 0.08% de contenido de CO
El resultado obtenido se multiplica por un factor de corrección f, que depende del tipo de máquina y si posee o no filtro catalizador
Tabla No 4. Valores de f aproximado según el tipo de equipo utilizadom3/min.
TIPO DE MAQUINA con filtro sin filtro
Pala cargadora 1.08 2.16
Volquetas 0.67 0.84
Locomotoras 0.65 0.82
Fuente. Elementos de ventilación de Minas. Alonso Herrera .UPTC 1996.
motores diesel que operan en la mina (cuando la concentración de CO en el aire es de 0,06 a 0,12 %).
Para Chile la normatividad contempla suministrar 2.83 m3/min. por cada HP motor de todo equipo diesel en operación (equivalente a 100 ft3/min. por cada HP motor).Art. 132, D.S. Nº 132, Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minería, CHILE.
EJERCICIO.
De acuerdo a la normatividad Colombiana, específicamente al decreto 1335 de 1987, compare el ejercicio problema de Chile y determine los caudales necesarios para maquinaria y personal de la misma mina pero en Nuestro país.
La forma de operación en cuanto a la utilización de equipos de carga, transporte y otros, se puede tomar como referencia los equipos utilizados en la explotación de mineral de hierro en la Mina del Uvo de Acerías Paz del Río, donde se utilizan equipos diesel transloader (L.H.D), para el cargue, el transporte y el descargue; para perforación utilizan equipos autopropulsados diesel Jumbos de perforación.
1. Descripción del Problema
Se planea explotar un yacimiento de Cobre, según el método de explotación subterránea Sub Level Stoping (S.L.S.); uno de los requerimientos centrales del proyecto, dice relación con el diseño, cálculo y dimensionamiento del Sistema de Ventilación Principal que deberá implementarse para atender las diversas operaciones minero-subterráneas, cuenta tenida de los principales contaminantes a controlar.
2. Normativa a cumplir [9]
Art. 132, D.S. Nº 132 (Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minería, CHILE) Art. 135, D.S. Nº 132
Art. 138, D.S. Nº 132
_____________________________
[9]: Entidades fiscalizadoras estatales: - SERNAGEOMIN (MINISTERIO DE MINERÍA DE CHILE) - MINISTERIO DE SALUD
Art. 144, D.S. Nº 132
Art. 66, D.S. Nº 594 (Reglamento sobre Condiciones Sanitarias y Ambientales Básicas en Lugares
de Trabajo, Ministerio de Salud, CHILE).
Art. 136, 137, 139, 141, 142, 143, 145, 146, 147, 148, 149, 150 y 151, D.S. Nº 132 (Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minería, CHILE)
CASO PRÁCTICO: SISTEMA DE VENTILACIÓN PRINCIPAL - MINA MODELO
3. Datos
Método de explotación: Sub Level Stoping (S.L.S.) Ritmo de producción: 1500 Toneladas por día Cota base yacimiento : 600 m.s.n.m.
Densidad promedio del aire en la faena: 0.07 lbs/ft3 Acceso principal desde superficie: Rampa
Longitud rampa principal desde: 2000 m. Superficie hasta caserón base
Sección rampa principal: 5.5m. x 5.0 m.
Diferencia de cota entre superficie y piso del yacimiento base: 200 m. Número máximo de personas por turno: 15 personas
Parque de equipo diesel operativo: 3 camiones de bajo perfil x 270 HP+ 3 LHD x 230 HP+ 2 vehículos livianos x 110 HP
Equipo diesel en Desarrollo: Se utilizará LHD´s de producción
Características eléctricas de la faena: Corriente trifásica, 380 voltios ; 50 Hz.
4. Solución
De acuerdo a datos recopilados, los cuales incluyen planos de diseño de explotación y de acceso principal a la mina, más la experiencia registrada en faenas subterráneas de características similares, se percibe como una buena opción: ventilar la mina mediante Sistema de Ventilación Aspirante.
4.1 Requerimiento de caudal de aire
El mayor contaminante ambiental producido en la aplicación de este método de explotación (S.L.S.), son los gases emitidos por los equipos diesel; de acuerdo a lo anterior, y para efectos de cálculo del caudal de aire de ventilación, deberá determinarse tal caudal de acuerdo a la normativa de suministrar 2.83 m3/min. por cada HP motor de todo equipo diesel en operación (equivalente a 100 pie3/min. por cada HP motor) [10].
Al caudal de aire obtenido según flota diesel operativa, se le deberá agregar el caudal requerido por la totalidad de personas trabajando al interior de la rampa [11].
4.1.1 Equipos:
3 camiones x 270 HP 3 LHD x 230 HP
2 vehículos livianos x 110 HP
Requerimiento de aire (Equipos) i) Q camión = 270 HP x 100 ft3/min. + 270 HP x 100 ft3/min. x 0.75 [12] + 270 HP x 100 ft3/min. x 0.50 [12] _________________________________ Q camión = 60750 pie3/min. ________________________ [10]
: Art. 132, D.S. Nº 132, Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minería, CHILE. _________________________
[11]
: Art. 132 y 138, D.S. Nº 132, Reglamento de Seguridad Minera, Ministerio de Minería, CHILE
_________________________
[12]
: 0.75 y 0.50 corresponde a factores de corrección utilizados para la estimación de caudal en los
casos en que equipos, del mismo tipo, operen en serie dentro del mismo circuito (0.75, para segundo equipo en serie; 0.50, para tercero y posteriores).
ii) Q LHD = 230 HP x 100 ft3/min.
+ 230 HP x 100 ft3/min. x 0.75
+ 230 HP x 100 ft3/min. x 0.50
_________________________________
Q LHD = 51750 ft3/min
iii) Q vehículos livianos = 110 HP x 100 ft3/min. + 110 HP x 100 ft3/min. x 0.75
___________________________________
Q vehículos livianos = 19250 ft3/min.
• Subtotal Q requerido/equipos = [60750 + 51750 + 19250] ft3 /min.
= 131750 ft3/min.
4.1.2 Trabajadores:
Se tiene: 15 trabajadores por turno
Requerimiento de aire (trabajadores)
Q trabajadores = 15 trabajadores x 3m3/min./trabajador [13] = 45 m3/min.
= 1600 ft3/min. (Aprox.)
• Subtotal Q requerido/trabajadores = 1600 ft3
/min.
_____________________________________________
Total Q requerido (equipos + trabajadores) = [131750 + 1600] ft3/min. = 133350 ft3/min.
A este caudal debe agregársele, como mínimo, 15% del Q requerido por concepto de fugas/filtraciones, obteniéndose:
Q filtraciones = (0.15 x 133350) ft3/min.
_________________________
= 20000 ft3/min. (Aprox.)
Lo que da, finalmente, como caudal total de ventilación, un valor igual a:
Q TOTAL = (Q requerido + Q filtraciones) ft3/min. = (133350 + 20000) ft3/min.
= 153350 ft3/min.
= 160000 ft3/min.
Para el caso colombiano y aplicando el reglamento de higiene y seguridad en las
labores subterráneas tenemos:
Caudal necesario para el personal. Como la cota máxima de trabajo es de 800
m.s.n.m, aplicamos lo referenciado en la página 38:
Excavaciones mineras hasta 1.500 m.s.n.m. 3m3/min. Tenemos entonces:
Q1= q x n
q = Caudal de aire por persona (m³/min)
n = Numero máximo de personas en las labores.
Q1= 3m3/min*15 = 45 m3/min
Aquí podemos concluir que el parámetro de requerimiento de aire por persona en Colombia y CHILE son idénticos para esa altura.
2. Equipos:
3 camiones x 270 HP 3 LHD x 230 HP
El requerimiento de aire necesario para diluir los gases producto de los motores de combustión interna (tipo Diesel) de los equipos, se debe calcular teniendo en cuenta el Artículo 28 del decreto 1335/87, parágrafo 2:
4 m3/min. por cada HP suponiendo que los gases del exosto no superan los 0.08% de
contenido de CO.
Para el valor de f (0.67; 1.08 y 0.65) se tiene en cuenta la tabla No. 4.
Requerimiento de aire (Equipos).
i) Q camión = 270 HP x 4 m3/min.*3*0,67 =2170,8 m3/min.
ii) Q LHD = 230 HP x 4 m3/min.*3*1,08 =2980,8 m3/min.
iii) Q Livianos = 110 HP x 4 m3/min.*2*0,65=572 m3/min.
Total = 5723,6 m3/min. Equivalente a 202.127,03 pies3/min.
Total Personal + Equipos = 5768,6 m3/min.
Ahora asumiendo un porcentaje por pérdidas similares al caso Chileno tenemos:
Q Total = 6634 m3/min. Equivalente a 234.264 pies3/min.
Aquí si hay una diferencia amplia de un 46% comparando el caso colombiano al Chileno; esto se debe a que los factores de corrección utilizados para la estimación de caudal en los casos en que equipos del mismo tipo, operen en serie dentro del mismo circuito, son bajos en comparación a los utilizados en Colombia, que no decrecen sino que se utiliza el mismo para la cantidad n de equipos.
EJERCICIO PROPUESTO
4.5 CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR POLVOS. Q5
Q5 = C (Ad + Ap + Ae) m
3
/min.
C = coeficiente de irregularidad de producción de polvo. 0.15 m3/min/m2 de sección de las
vías
Ad = sección de las vías de desarrollo Ap = sección de las vías de preparación. Ae = sección de las vías de explotación.
4.6. CAUDAL NECESARIO PARA DILUIR OTROS GASES POR DEBAJO DEL MAC. Q6
Q6= Qg * (1- MAC)/(MAC-B) m
3
/min. 14
B = Concentración normal del gas en la corriente del aire.%.
B = para el CO2 en el aire es de 0.03%
Qg = flujo del gas que se desea diluir m3/min.
Cuando B = 0 Q6= (Qg/MAC)-Qg m
3
/min.
Si Qg es demasiado pequeño se puede dejar: Q6=(Qg/MAC-B) m3/min.
EJERCICIOS
En la oxidación lenta de un sulfuro en el frente de explotación se libera 0.030 m3/min. de una impureza gaseosa. Si el MAC es de 0.01%. Calcular la cantidad de aire necesario para diluir el gas. Suponer B = 0. Respuesta: 299,97 m3/min15.
Solución.
Aplicando la fórmula del Q6 tenemos:
Q6= (Qg/MAC)-Qg m
3
/min
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14.HARTMAN Howart L. Mining ventilation and Air conditioning. Pg. 61
Qg. = 0.030 m3/min. MAC = 0.01%. B = 0 Q6= (0.030 m 3/min./(0,01%/100)) – 0,030 m3 /min. Q6= 299,97 m3/min.
En la oxidación lenta de un sulfuro son liberados 0,015 c.f.m. de un contaminante gaseoso. Si el límite permisible de este gas es de 5 p.p.m.; qué cantidad de aire se requiere para la dilución de dicha impureza gaseosa. Respuesta: 2999,98 c.f.m.
Solución.
Aplicando la fórmula del Q6 tenemos:
Q6= (Qg/MAC)-Qg m3/min Qg. = 0,015 c.f.m. MAC = 5 p.p.m. B = 0 Q6= (0.015 c.f.m./(5 p.p.m./1000000)) – 0,015 c.f.m. Q6= 2999,98 c.f.m. = 84,95 m 3 /min.
Ejemplo Traducido de la página 61 ejemplo 3.4 de Howart L. Hartman.
Un gas fluye a través de un estrato en una mina a razón de 90 c.f.m.; si la concentración de este gas en el aire es normalmente de 0,25% y el V.L.P. es de 1%; ¿qué cantidad de aire fresco se requiere para diluir este gas? Rta. 11.880 c.f.m.
Q6= Qg * (1- MAC)/(MAC-B) Qg. = 90 c.f.m. MAC = 1% B = 0,25% Q6= (90 c.f.m.* (1-1/100)/ (1/100-0,25/100)) Q6= 11.880 c.f.m. = 336, 4 m 3 /min. Ejercicio Propuesto
En una aparición espontánea de CO2 se liberan 0,045 c.f.m. ¿qué cantidad de aire fresco se requiere para diluir este gas?
5. INCIDENCIA DE FACTORES CLIMATICOS EN EL CÁLCULO DE LA VENTILACION PRINCIPAL
El parámetro a obtener para el cálculo del ventilador principal para una mina es la potencia, la cual esta relacionada directamente con la depresión total y el caudal de aire necesario en las operaciones mineras. La depresión debe ser corregida de acuerdo a la altura sobre el nivel del mar del sitio donde se va a instalar el ventilador, por lo que se hace necesario hacer la relación entre el peso específico del aire a condiciones normales y el peso específico del aire a la altura de la labor minera.
Z = wh/wo
Donde:
Z = Corrección por altura
wh = Peso específico del aire a la altura de la labor (Kg./m³)
wo = Peso específico del airea condiciones Normales = 1,22 (Kg./m³)
Pb = Presión barométrica en mm. Hg.
Pb = 760 *(1-(0.0065 * h/Ts))5.255
Donde:
h = Altura sobre el nivel del mar donde se va a instalar el ventilador m.s.n.m. Ts = Temperatura seca °C.
Ley general de la ventilación:
Ht = R * Q ²
Ht.= Depresión Total mm. col. H2O
R = Resistencia aerodinámica weisbach. Wb. Q = Caudal m³/seg. Potencia:
P = (Qt * Ht)/102
P = Potencia Kw. Ht = mm. Col. H2O Q = m³/seg.El parámetro a calcular es la resistencia aerodinámica, el cual se puede obtener por varios métodos, aquí vamos a tratar el que consideramos más preciso y es el extractado del libro Mining ventilación and Air conditioning de HOWART HARTMAN; el caudal se calcula teniendo en cuenta las diferentes necesidades particulares de cada mina para respiración de personal y dilución de gases y polvos contaminantes.
R = (k*P*(L+Leq))/A³
K = coeficiente aerodinámico N seg.²/m4 = Kg./m³ P = perímetro de la vía m.
L = longitud de la vía m. Le = longitud equivalente m. A = Sección de la vía m2
R = N seg²/m
8Tabla No 5.Longitudes equivalentes para los elementos de la mina
ft m
Curva aguda redondeada 3 1
150 45
70 20
Curva abierta redondeada 1 1
Curva obtusa redondeada 1 1
15 5 70 20 20 6 65 20 1 1 10 3 1 1 20 6 30 10 200 60 60 20 30 10
coche ocupa 20% del área 100 30
coche ocupa 40% del área 500 150
Curva aguda fuerte Curva abierta fuerte
Elemento Unión a 90º contracción gradual contracción abrupta Expansión gradual Expansión abrupta División o rama recta
codo 90ª Unión o rama recta Curva obtusa fuerte Puerta
Entrada aire Salida o descarga
