Estudio de ventilacion e implementacion de mejoras en el circuito de ventilacion de Minera Sotrami S A – UEA Santa Filomena – aplicando el Software Ventsim

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS. “ESTUDIO DE VENTILACION E IMPLEMENTACION DE MEJORAS EN EL CIRCUITO DE VENTILACION DE MINERA SOTRAMI S.A. – UEA SANTA FILOMENA – APLICANDO EL SOFTWARE VENTSIM”. TESIS PRESENTADA POR EL BACHILLER: CAXI LLANO YOMAN PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE MINAS. AREQUIPA - PERÚ 2017.

(2) UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS. “ESTUDIO DE VENTILACION E IMPLEMENTACION DE MEJORAS EN EL CIRCUITO DE VENTILACION DE MINERA SOTRAMI S.A. – UEA SANTA FILOMENA – APLICANDO EL SOFTWARE VENTSIM”. JURADOS: Presidente: Mg. Bruno Chaucayanqui Quisa Vocal. : Mg. Manuel Figueroa Galiano. Secretario : Ing. Reynaldo Canahua Loza ASESOR: Ing. Rolando Quispe Aquino. AREQUIPA - PERÚ 2017.

(3) DEDICATORIA. A mis padres Bonifacio Caxi Maquera y Elena. Llano. constante. Layme. para. continuar. formación profesional.. i. por. su. apoyo. con. mi.

(4) AGRADECIMIENTOS. Los agradecimientos meritorios a la Universidad Nacional de San Agustín, a la facultad de Geología, Geofísica y Minas en especial a los docentes de la escuela profesional de Ingeniería de Minas quienes me inculcaron sus conocimientos y me enseñaron a través de sus palabras el valor de ser profesional.. Agradecimientos a la empresa MINERA SOTRAMI S.A. en especial al Ing. Luis Rojas Camargo superintendente de mina por su apoyo constante.. Agradezco también a mis familiares y amigos que me apoyaron para poder llegar a este punto.. ii.

(5) RESUMEN. Se realizó el mapeo de ventilación para identificar el circuito de ventilación para luego plasmarlo en planos y posterior simulación en software ventsim 3.9.. En la Veta Santa Filomena no contaba con un circuito adecuado de flujo de aire fresco es por ello que se invirtió en el desarrollo de la chimenea de ventilación y el. CRUCERO 2170 con el objetivo de mejorar el circuito de. ventilación.. Se hacen mediciones en la veta Santa Filomena obteniendo un global de 942.40 m3/min de aire fresco que ingresa por ventilación natural por el Pique Jimenez, Pique Base 4 y Pique Base 5. El aire viciado es expulsado por las labores antiguas principalmente por la Chimenea Panca cuyo caudal es de 396.9 m3/min. El requerimiento de aire es de 816.41 m3/min con un superávit de 126.49 m3/min.. Se hacen mediciones en la veta Santa Rosa obteniendo total de 813.96 m3/min de aire que ingresa por la Galería 2290, Crucero 2340, Crucero 1800 y Crucero 2300. El aire viciado es expulsado por el Pique Dragones cuyo caudal es 355.2 m3/min. El requerimiento de aire es de 244.26 m3/min con un superávit de 353.30 m3/min.. El sistema de ventilación es muy complejo debido a la gran dimensión de la mina y avance de las labores, se utilizó el software Ventsim 3.9 para realizar simulaciones de monitoreo de caudales de aire, esta herramienta es de gran ayuda para simular circuitos futuros en donde se puede incluir ventiladores y su dimensionamiento, controles de ventilación como tapones, puertas y reguladores para direccionar el flujo y disminución de pérdidas.. El procedimiento seguido en la elaboración de la presente tesis fue:. Debido a que no existe trabajos de investigación realizados con anterioridad sobre el tema de ventilación en la UEA Santa Filomena. Los antecedentes de iii.

(6) este proyecto de investigación se basan en publicaciones de libros y trabajos de investigación realizada en otras unidades mineras. La publicación “Ventilación de Minas Subterráneas y Túneles –Práctica, Aplicada y Avanzada en Minería Clásica y Minería por Trackless, Primera Edición ,Instituto de Ingenieros de Minas del Perú 2011” es aporte bibliográfico muy importante en el contexto nacional y fue base para realizar mi tesis. En el material de estudio fue la Unidad Minera Santa Filomena, el cual es una mina convencional compleja por su gran dimensión, donde se realizó el mapeo de ventilación identificando el circuito de ventilación y posteriormente se plasmó en planos unifilares e isométricos. Finalmente se realizó la simulación en el software vetsim 3.9.. El tipo de investigación es aplicada. por que el objetivo es encontrar. mecanismos o estrategias que permitan lograr mejorar el sistema de ventilación. El nivel de investigación es exploratoria y descriptiva.. Los resultados logrados fueron los siguientes:. Se realizó el estudio de ventilación el cual servirá como base para proyectos futuros de mejora. Se realizó la simulación de ventilación con el software ventsim 3.9. Se realizó la selección de ventilador de 15000 cfm, 11 pulg de H2O y 25 HP para el Crucero 2170. Se instaló de mangas paralelas en Crucero 2170 y se realizó mediciones para demostrar qué es más efectivo que una sola manga.. Se concluyó que la cobertura de aire en la veta Santa filomena es de 115 % con un superávit de 126.49 m3 /min. En la veta Santa Rosa la cobertura de aire es de 333% con un superávit de 569.70 m3 /min. A futuro veta Santa Filomena tendrá problemas de ventilación por lo que es necesario desarrollar chimeneas de ventilación.. iv.

(7) INDICE GENERAL. DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS RESUMEN. CAPITULO I INTRODUCCION. 1.1 Introduccion y ubicación .............................................................................. 1 1.1.1 Introducción ...................................................................................... 1 1.1.2 Ubicación .......................................................................................... 2 1.1.3 Accesibilidad ..................................................................................... 4 1.2 Justificacion ............................................................................................... 5 1.3 Formulacion del problema ......................................................................... 5 1.3.1 Definición del problema ................................................................... 5 1.4 Alcance y limitaciones ............................................................................... 7 1.4.1 Alcance ........................................................................................... 7 1.4.2 Limitaciones .................................................................................... 7 1.5 Variables e indicadores ............................................................................. 7 1.5.1 Variables independientes................................................................. 7 1.5.2 Variables dependientes ................................................................... 7 1.5.3 Indicadores ...................................................................................... 8 1.6 Objetivos ................................................................................................... 8 1.6.1 Objetivo general ............................................................................... 8 1.6.2 Objetivos específicos ........................................................................ 8 1.7 Hipotesis…………………………………………………………………………..9. i.

(8) CAPITULO II MARCO TEORICO. 2.1 Antecedentes de la investigación ............................................................ 10 2.2 Definición de ventilación de minas ........................................................... 12 2.3 Diseño de un sstema de ventilación de minas ......................................... 12 2.4 Conceptos para el diseño de un sistema de ventilación ........................... 13 2.4.1. Aire de mina ................................................................................ 13. 2.4.2. Gases presentes en las minas .................................................... 14. 2.4.3. Polvo en las minas. ..................................................................... 15. 2.4.4. Condiciones termo-ambientales .................................................. 15. 2.4.5. 2.4.4.1. Comodidad térmica. .................................................... 16. 2.4.4.2. Temperaturas de comodidad térmica .......................... 17. psicrometría ................................................................................ 18. 2.5 Necesidad de ventilación en una mina .................................................... 18 2.6 Leyes elementales para el flujo de aire .................................................... 19 2.7 Caída de presión del aire y la ecuación de ventilación ............................ 19 2.8 Efectos termodinámicos en la ventilación natural .................................... 21 2.9 Importancia de la caída de temperatura en la ventilación natural. 21 2.10 Decrecimiento de presión atmosférica con la altitud ................................ 22 2.11 Curva característica de la mina ............................................................... 25 2.12 Presión de ventilación natural pvn ........................................................... 27 2.13. Parámetros de cálculo utilizados en ventilación ....................................... 28 2.13.1. Leyes de kirchhoff ...................................................................... 28 2.13.1.1. Primera ley de kirchhoff (ley de continuidad) .............. 28 2.13.1.2. Segunda ley de kirchhoff (ley de circulación) ............. 28 2.13.2. Método de hardy cross ............................................................... 29 2.13.3. Circuitos de ventilación ............................................................... 30 ii.

(9) 2.13.3.1. Circuitos en serie ....................................................... 30 2.13.3.2. Circuitos en paralelo................................................... 32 2.13.4. Ley básica de la ventilación de minas ........................................ 35 2.13.5. Ecuación de energía total .......................................................... 36 2.13.6. Presiones de una mina .............................................................. 37 2.13.6.1. Presión estática. ........................................................ 37 2.13.6.2. Presión de velocidad ................................................. 37 2.13.6.3. Pérdida de presión por fricción .................................. 38 2.13.7. Fórmula de atkinson .................................................................. 38 2.13.8. Factor de fricción ....................................................................... 40 2.13.9. Pérdida por choque ................................................................... 40 2.14. Ventilación de minas subterráneas y circuitos de ventilación. .................. 43 2.14.1. Marco normativo nacional .......................................................... 43 2.14.2. Reglamentos en la ventilación ................................................... 44 2.14.3. Razones principales para ventilación ......................................... 44 2.14.4. Tipos de ventilación ................................................................... 45 2.14.6. Clasificación de los ventiladores ................................................ 46 2.14.6.1. Ventilador centrífugo ................................................ 47 2.14.6.2. Ventilador axial ........................................................ 48 2.14. Definicion del sofware Ventsim. ............................................................... 49. CAPITULO III MATERIAL DE ESTUDIO. 3.1. Ubicación y accesibilidad .......................................................................... 50 3.2. Clima ....................................................................................................... 54 3.3. Marco geológico ...................................................................................... 54 3.3.1. Geomorfología .............................................................................. 54 iii.

(10) 3.3.2. Geología regional ......................................................................... 56 3.3.3. Estratigrafía ................................................................................... 58 3.3.4. Geología local ............................................................................... 66 3.3.5. Geología estructural ...................................................................... 70 3.3.6. Geología económica ..................................................................... 74 3.4. Recursos y reservas ................................................................................ 84 3.4.1. Recursos ....................................................................................... 84 3.4.2. Reservas ....................................................................................... 85 3.5. Geomecánica .......................................................................................... 86 3.6. Metodos de explotacion ........................................................................... 94 3.6.1. Descripción del método ................................................................. 95 3.6.1.1. Preparación del tajo ......................................................... 95 3.6.1.2. Explotación del tajo .......................................................... 96 3.6.2. Perforación en el minado subterráneo ........................................... 97 3.6.2.1. Perforación de tajos .......................................................... 98 3.6.2.2. Malla de perforación en tajos............................................ 99 3.6.2.3. Parámetros de perforación en tajo para cálculos ............ 100 3.6.2.4. Perforación de frentes .................................................... 102 3.6.2.5. Componentes de una malla de perforación en frente ..... 102 3.6.2.6. Malla de perforación en frentes ...................................... 103 3.6.3. Perforación en el minado subterráneo ......................................... 107. CAPITULO IV METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. 4.1 Tipo de diseño ....................................................................................... 108 4.2 Nivel de investigación ............................................................................ 109 4.3 Población y muestra .............................................................................. 109 4.3.1 Población ................................................................................... 109 4.3.2 Muestra ...................................................................................... 109. iv.

(11) 4.4 Técnicas e instrumentos para recolección de datos .............................. 109 4.5 Validación y confiabilidad de los intrumentos......................................... 109 4.6 Metodos y tecnicas para la presentacion y análisis de datos ................. 110 4.6.1 Observación directa.................................................................... 110 4.6.2 Análisis estadístico ..................................................................... 110 4.6.3 Análisis descriptivo ..................................................................... 110 4.6.4 Presentacion .............................................................................. 110. CAPITULO V DESARROLLO DEL TEMA DE TESIS. 5.2 Evaluacion inicial del circuito de ventilacion........................................... 111 5.3 Estudio y diseño actual del sistema de ventilacion ............................... 112 5.2.1 Ingreso y salida de aire veta Santa Filomena. ............................. 114 5.2.2 Ingreso y salida de aire veta Santa Rosa. .................................... 115 5.2.3 Requerimiento de caudal de aire ................................................. 116 5.2.3.1 Requerimiento de aire zona 23 veta Santa Filomena ...... 117 5.2.3.2 Requerimiento de aire zona Santa Rosa ......................... 123 5.2.4 Cálculo de las curvas de ventilación ............................................ 129 5.2.5 Descripción del software ventsim visual 3 .................................... 131 5.2.5.1 Herramientas del software ventsim visual 3………… ….132 5.2.5.2 Características del software ventsim visual ..................... 133 5.2.6 Técnicas para el procesamiento del sistema de ventilación .......... 133 5.2.6.1 Diseño del diagrama unifilar (2d) ………………………….133 5.2.6.2 Ingreso de la topografía digitalizada ................................ 134 5.2.6.3 Importación de datos al software ventsim visual 3 ........... 135 5.2.6.4 Calibración del software ventsim visual 3 ........................ 136 5.3 Antecedentes importantes en el circuito de ventilación .......................... 137 5.3.1 Sistema de ventilación en. UEA Santa Filomena ......................... 137. v.

(12) 5.3.2 Ventiladores instalados en mina .................................................. 137 5.3.2.1 Ventiladores principales .................................................. 137 5.3.2.2 Ventiladores secundarios ................................................ 138 5.3.2.3 Ventiladores auxiliares .................................................... 138 5.3.3 Calidad de aire ........................................................................... 139 5.3.4 Circuito de ventilación veta Santa Filomena. ............................... 139 5.3.5 Circuito de ventilación veta Santa Rosa. ...................................... 141 5.3.6 Personal de ventilación ................................................................ 143 5.3.7 Mantenimiento y control de ventiladores ..................................... 143 5.3.8 Chimeneas de ventilación ............................................................ 143 5.3.9 Condiciones de ventilacion en labores ......................................... 144. CAPITULO VI ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS. 6.1 Optimización de circuitos de ventilación ................................................ 147 6.2 Problemas presentados en la ventilación de veta Santa Filomena. . 148 6.2.1 Plan de acción y medidas realizadas. ........................................... 148 6.3 Problemas presentados en la ventilación de veta Santa Rosa. .. 150 6.3.1 Plan de acción y medidas realizadas. ........................................... 151 6.4 Simulación y aplicación del software ventsim para optimizar las condiciones de ventilación veta Santa Filomena. .................................. 153 6.4.1 Situación actual del circuito de ventilación veta Santa Filomena zona 23 ....................................................................................... 153 6.4.2 Análisis del circuito con la instalación de puertas y chimenea de ventilación ..................................................................................... 154 6.5 Simulación y aplicación del software ventsim para optimizar las condiciones de ventilación veta Santa Rosa. ......................................... 155 6.5.1 Situación actual del circuito de ventilación veta santa rosa. ......... 155 6.5.2 Análisis del circuito con la instalación de puertas de ventilación .. 155 6.6 Selección de ventilador para proyecto de integracion de zonas crucero 2170 zona Santa Rosa……………………………………..…………………156 vi.

(13) 6.6.1 Parámetros de funcionamiento de ventilador VAV- 23 1/4-14 - 3450-II-A. .................................................................................. 158 6.6.2 Curvas de trabajo del ventilador VAV- 23 1/4-14- 3450-II-A. ................ 159 6.6.3 Simulación de gases producidos por los explosivos. ................... 160 6.7 Proyecto de mejora mangas en paralelo en cx 2170 zona Santa Rosa ... 162 6.7.1 Simulación con una manga de ventilación. ................................... 163 6.7.2 Simulación con dos mangas de ventilación paralelas. ................ 164 6.7.3 Comparación de presiones entre las dos alternativas. .................. 165 6.7.4 Instalación de mangas en paralelo en el crucero 2170 ................. 165. CONCLUSIONES .......................................................................................... 171 RECOMENDACIONES .................................................................................. 173 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................. 174 ANEXOS ....................................................................................................... 175. vii.

(14) INDICE DE FIGURAS. Figura 1: Evaluación de la comodidad térmica del ambiente............................ 16 Figura 2: Efectos de la variación de temperatura en columnas de aire ............ 22 Figura 3: Presión a diferente altitud ................................................................. 24 Figura 4: Primera Ley de Kirchhoff ................................................................... 28 Figura 5: Segunda Ley de Kirchhoff ................................................................. 29 Figura 6: Circuito en serie con puertas............................................................. 31 Figura 7: Esquema lineal ................................................................................. 31 Figura 8: Circuitos en serie .............................................................................. 32 Figura 9: Circuito en paralelo ........................................................................... 34 Figura 10: Esquema para calcular el circuito ................................................... 34 Figura 11: Gradiente de presiones ................................................................... 38 Figura 12: Ventilador centrifugo ....................................................................... 48 Figura 13: Ventilador axial ............................................................................... 49 Figura 14: Sistema de formación de vetas en forma de rosario ....................... 72 Figura 15: Mapa geológico MINERA SOTRAMI S.A. ....................................... 84 Figura 16: Diagrama general de corte relleno ascendente ............................... 95 Figura 17: Vista de un tajo MINERA SOTRAMI S.A. ........................................ 99 Figura 18: Malla de perforación en tajos MINERA SOTRAMI S.A. ................ 100 Figura 19: Arranque tipo cacho de toro .......................................................... 104 Figura 20: Arranque tipo corte quemado ....................................................... 104 Figura 21:Malla de perforacion en frente para roca dura ................................ 105 Figura 22: Plano unifilar Zona 23 .................................................................. 134 Figura 23: Exportación del autocad en dxf nivel 2025 ................................... 135 Figura 24: Importación en 3D del nivel 2025 ................................................ 135 Figura 25: Calibración del Ventsim 3. ............................................................ 137 Figura 26: Proyecto chimenea de ventilación 1248 ....................................... 150 Figura 27: Proyecto Cx 2170 ........................................................................ 152 Figura 28: Deficiencia en ventilación nivel 2026 y nivel 1990 ....................... 153 Figura 29: Mejora del circuito de ventilación Veta Santa Filomena ............... 154 Figura 30: circuito de ventilación Veta Santa Rosa ....................................... 155 Figura 31: Mejora de circuito de ventilación Veta Santa Rosa 169................. 156. viii.

(15) INDICE DE TABLAS. Tabla 1: Cordenadas UTM de la concesión Santa Filomena ............................. 4 Tabla 2: Temperaturas de confort .................................................................... 17 Tabla 3: Factor de fricción K ............................................................................ 41 Tabla 4: Longitudes Equivalentes .................................................................... 42 Tabla 5: Reserva probada zona 23-veta Filomena .......................................... 85 Tabla 6: Reserva probables zona Santa Rosa-veta La Cruz ........................... 86 Tabla 7: Reserva probada zona 23-veta Escalera .......................................... 86 Tabla 8: Ingreso y salida de aire veta Santa Filomena ................................... 115 Tabla 9: Ingreso y salida de aire veta Santa Rosa ........................................ 116 Tabla 10: Distribucion de personal zona 23 veta Santa Filomena ................. 119 Tabla 11: Factor de produccion de acuerdo al consumo de madera ............. 119 Tabla 12: Velocidad minima del aire de acuerdo a la temperatura ................ 120 Tabla 13: Distribucion de personal veta Santa Rosa .................................... 119 Tabla 14: Factor de producción de acuerdo al consumo de madera .............. 126 Tabla 15: Velocidad de aire de acuerdo a la temperatura .............................. 127 Tabla 16: Balance de ventilación Veta Santa Filomena ................................. 140 Tabla 17: Balance de ventilación Veta Santa Rosa ........................................ 142 Tabla 18: Medición de velocidad de aire Veta Filomena ................................ 145 Tabla 19: Monitoreo de concentración de gases Veta Filomena .................... 146 Tabla 20: Medición de caudal de aire con una sola manga ............................ 166 Tabla 21: Resultados de la medición en la manga 1 ...................................... 168 Tabla 22: Resultados de la medición en la manga 2 ..................................... 168 Tabla 23: Resultados de la medición en la manga 1 ...................................... 169 Tabla 24: Resultados de la medición en la manga 2 ..................................... 169. ix.

(16) INDICE DE GRAFICOS. Grafico 1: Abaco para determinar propiedades del aire ................................... 18 Grafico 2: Presión vs Altitud ............................................................................. 24 Grafico 3: Curva característica de mina ........................................................... 25 Grafico 4: Punto de operación de un ventilador ............................................... 26 Grafico 5: Caudal vs Presión ........................................................................... 27 Grafico 6: Curva característica de un ventilador ............................................ 129 Grafico 7: Características de ventilador ........................................................ 157 Grafico 8: Curva del ventilador ...................................................................... 157 Grafico 9: Datos de la curva ajustada del ventilador AIRTEC. ....................... 158 Grafico 10: Parámetros del ventilador elegido ............................................... 158 Grafico 11: Curva de presión total ................................................................. 159 Grafico 12: Curva de eficiencia. .................................................................... 159 Grafico 13: Curva de potencia. ...................................................................... 160 Grafico 14: Contaminante producido. ............................................................ 161 Grafico 15: Propagación de contaminante y tiempo de descontaminación…………………………………………………….161 Grafico 16: Análisis de recirculación de aire ……………………………………162 Grafico 17: Construcción de manga de ventilación en el software Ventsim……..…………………………………………………………163 Grafico 18: Caudal de salida a 475 mts simulado en el software Ventsim…………………………………………………….………….163 Grafico 19: Construcción de mangas de ventilación en paralelo .................. 164 Grafico 20: Caudal de salida en las mangas en paralelo ............................. 164 Grafico 21: Comparación de alternativas. ..................................................... 165. x.

(17) INDICE DE PLANOS. Plano 1: Plano geológico de la concesión Santa Filomena ............................ 69. INDICE DE CROQUIS. Croquis 1: croquis ubicación de UEA Santa Filomena .................................... 3. INDICE DE FOTOS. Fotos 1: Campamento MINERA SOTRAMI S.A. ............................................ 53 Fotos 2: Vista de campamento mina mes de diciembre .................................. 54 Fotos 3: muestra de mineral sulfurado de alta ley ........................................... 73 Fotos 4: Estructura mineralizada ..................................................................... 79 Fotos 5: Material usado para el mapeo geomecanico ..................................... 88 Fotos 6: Equipo de perforación neumática marca ATLAS COOPCO .............. 98 Fotos 7: Mapeo de ventilación ...................................................................... 112 Fotos 8: Mangas de ventilación .................................................................... 114 Fotos 9: Ventilador auxiliar galería 2026 E Veta Santa Filomena .................. 138 Fotos 10: Puerta de ventilación galería 2026 E para evitar la recirculación ... 149 Fotos 11: Puerta de ventilación galería 2300 E nivel 3 Zona Santa Rosa ..... 151 Fotos 12: ventilador axial de 15000 cfm simple etapa Zona Santa Rosa ...... 152 Fotos 13: Instalación de bifurcacion en el ventilador ..................................... 167 Fotos 14: Mangas en paralelo instaladas en el crucero 2170 ........................ 167 Fotos 15: Mangas en paralelo crucero 2170 ................................................. 170. xi.

(18) CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN. 1.1 INTRODUCCION Y UBICACIÓN. 1.1.2 Introducción. Actualmente la ventilación en mina. es importante. porque. garantizan las condiciones favorables para los diferentes procesos operativos. El consumo de explosivos, la cantidad de personal, gases encontrados en el macizo rocoso debido a la profundización de la Mina, deben ser controladas por un sistema de ventilación que garantice el caudal de aire necesario para mantener el caudal y velocidad de flujo aire adecuada, de igual forma controlar el polvo en suspensión, mantener la temperatura dentro de los parámetros, mantener el oxígeno y los gases producidos por la operación dentro de los LMP para el óptimo 1.

(19) desarrollo del sistema de minado garantizando la operatividad en los. procesos. de. exploración,. desarrollo,. preparación. y. explotación subterránea. Cumpliendo con la normatividad legal en base a lo especificado en el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional D.S. 024-2016-EM.. Se aplicara una metodología descriptiva, ya que el propósito es describir situaciones y eventos reales que se expresa en términos cuantitativos haciendo uso del software de ventilación VENTSIM.. 1.1.3 Ubicación La unidad minera “Santa Filomena” de la Empresa SOTRAMI S.A se encuentra ubicada en:. Centro poblado. : Santa Filomena. Distrito. : Sancos. Provincia. : Lucanas. Departamento. : Ayacucho. Altura. : 2400 m.s.n.m. La propiedad minera se encuentra flanqueada por: • Por el Norte. : La mina San Luis y La Quebrada Aguada de San. Luis.. • Por el Sur. : La Quebrada Santa Rosa. • Por el Este. : La Quebrada de Chulbe.. • Por el Oeste. : El Cerro Santa Rita.. Acontinuacion se muestra el croquis de la ubicación de UEA Santa Filomena en el Plano 01.. 2.

(20) PROVINCIA DE LUCANAS. UEA SANTA FILOMENA. DEPARTAMENTO DE AYACUCHO. Fuente: Departamento de Geología. Croquis 1: Ubicación de UEA Santa Filomena. 3.

(21) Tabla Coordenadas de ubicación de la concesión Santa Filomena Vértice. Norte. Norte. 1. 8303000. 576000. 2. 8303000. 579000. 3. 8304000. 579000. 4. 8304000. 581000. 5. 8301000. 581000. 6. 8301000. 578000. 7. 8302000. 578000. 8. 8302000. 576000. Fuente Geología. Tabla 1: Coordenadas UTM de la concesión.. 1.1.4 Accesibilidad Las principales vías de acceso son:. Terrestre  Ruta Arequipa - Santa Filomena. Carretera afirmada de Arequipa hasta Yauca de 445.5 kilómetros de carretera asfaltada y promedio de 11 horas de viaje, luego la carretera es trocha 43 kilómetros recomendable viajar en camioneta en promedio 2 horas de viaje.  Ruta Lima - Santa Filomena. Carretera afirmada de Arequipa hasta Yauca de 569.9 kilómetros de carretera asfaltada y promedio de 12 horas de viaje, luego la carretera es trocha 43 kilómetros recomendable viajar en camioneta en promedio 2 horas de viaje. 4.

(22) 1.2. JUSTIFICACION. Debido a los problemas de ventilación en los niveles inferiores, altas temperaturas en mina. La sostenibilidad de las operaciones mineras requiere un estudio de ventilación para identificar el circuito integral de ventilación, diseñar los planos de ventilación e implementar mejoras.. Con el objetivo de evaluar la red de ventilación se ha utilizado el programa de simulación VentSim que permite analizar los circuitos de ventilación mediante el empleo del algoritmo de aproximaciones sucesivas conocido como la teoría de Hardy-Cross en una interface gráfica que permite visualizar la mina como un diagrama unifilar en el que se pueden apreciar los caudales que circulan y las caídas de presión que se producen a través de cada ramal del circuito por una variación de colores y valores numéricos.. 1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA. 1.3.1 Definición del problema. La ventilación en la UEA Santa Filomena presenta ciertas deficiencias en el ingreso de aire limpio de algunas labores en la profundización, generando colchones de. aire viciado, lo. cual dificulta el performance de las operaciones y el confort de los trabajadores.. La ausencia de un estudio de ventilación que sirva como base para ejecutar proyectos de mediana y gran envergadura que pueda mejorar la ventilación. En la unidad minera no se contaba con planos de ventilación lo cual dificultaba realizar un análisis de la problemática por lo tanto no se podía ejecutar planes para mejorar.. 5.

(23) En la unidad minera los ventiladores axiales se averiaban constantemente debido a que se desconocía la manera correcta. de selección de ventiladores. para una. labor. determinada y las características que este debía de cumplir. Además no existía un programa de mantenimiento preventivo de los ventiladores.. No existe un buen planeamiento en tema de ventilación lo cual las consecuencias podrían repercutir negativamente en la producción.. 1.3.2 Formulación del problema. PROBLEMA. La. ventilación. mina. es. CAUSAS. en - Falta de un área de -Desfase en el ciclo de. deficiente. por: - Ventiladores. EFECTOS. ventilación.. minado.. - Falta de un estudio de -Pérdida de tiempo por mal. ubicados.. ventilación. - Falta. - Colchones de aire. reparaciones. de. personal. capacitado.. motores y cambios de impulsor.. viciado en niveles -.Falta de un programa -Baja inferiores.. de mantenimiento.. - Elevada temperatura. de. .. de. ventiladores. -Altos. en. eficiencia. costos. de. ventilación.. niveles inferiores.. -Mala supervisión.. - Avería de impulsor. - Rendimiento deficiente. y motor. del personal de mina.. 6.

(24) 1.4 ALCANCE Y LIMITACIONES. 1.4.1 Alcance. a) El presente estudio abarcará la mejora del circuito de ventilación realizando la simulación de la ventilación en el software ventsim.. b) La presente investigación constituye un valioso aporte para conocer la situación actual y base para futuros proyectos de mejora de ventilación. 1.4.2 Limitaciones. a) La fidelidad y veracidad de los datos, debido la gran cantidad de labores abandonadas sin levantamiento topografico lo cual no permite realizar al detalle el diseño de la mina.. b) Malas condiciones de acceso a interior mina.. c) Ausencia. de. personal. capacitado. para. realizar. las. mediciones de flujo de aire en interior mina constantemente.. 1.5 VARIABLES E INDICADORES 1.5.1 Variables independientes - Presión del aire - Caudal de aire - Costos de energía y ventiladores. 1.5.2 Variables dependientes - Eficiencia y rendimiento de ventiladores. - Estándares y procedimientos seguros de ventilación.. 7.

(25) 1.5.3 Indicadores - Optimización de costos - Índice de accidentabilidad - Eficiencia de personal. 1.6 OBJETIVOS. 1.6.1 Objetivo general “ Realizar la evaluación integral del sistema de ventilación de UEA Santa Filomena que conlleve al modelamiento de la red de ventilación. mediante el uso. del software Ventsim.. Planteamiento de las mejoras de ventilación de forma integral con la ejecución de las nuevas infraestructuras.”.. 1.6.2 Objetivos específicos . Evaluar el circuito integral de ventilación realizando el mapeo de flujo aire con los instrumentos adecuados.. . Determinar de los puntos de monitoreo fijos en interior mina donde se realizara las mediciones del caudal de aire.. . Realizar. el. balance. general. actual de ventilación,. proyectada de aire y cobertura de la ventilación. . Elaborar de planos isométricos y unifilares. con la. siguiente información: Circuito principal, Ingresos y salidas de aire. Identificación de las zonas con restricciones de ventilación cuya velocidad del aire, se encuentre con lecturas menores de 20 m/min y mayores de 250 m/min. 8.

(26) . Revisar y hacer los cálculos del balance y cobertura de aire, sujeto a los requerimientos del D.S. 024-2016-EM.. . Simular el nuevo escenario del sistema de ventilación y comparar al sistema actual, para determinar el diseño óptimo, y una buena distribución de los flujos permitidos en todos los niveles, mediante el diseño e instalación de cortinas,. reguladores,. simplificación. de. circuitos. abandonados y otros. . Analizar las alternativas y selección del sistema optimo, minimizar el costo y maximizar el ingreso de aire y calidad.. 1.7 HIPOTESIS “Que con el estudio y la evaluación integral, modelamiento y diseño del sistema de ventilación con el uso del software VentSim e implementación de infraestructura mejorara el circuito integral de ventilación, teniendo en cuenta el requerimiento de aire de la mina para el cumplimiento de la normatividad legal.”.. 9.

(27) CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO. 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. 2.1.1 Antecedentes . Trabajo: “Ventilación de minas, Ventiladores para minas, acondicionamiento. del. aire,. incendios. subterráneos. y. salvamento”. Autor, Alejandro Novitzky. Ingeniero de Minas e Ingeniero Geólogo. Ex profesor de Explotación de Minas de la Universidad de Chile – 1962.. Cuyas consideraciones principales son:. 10.

(28) Se considera lo fundamental las propiedades físicas del aire y aerodinámica minera, dentro de ello tenemos propiedades físicas del aire y parámetros básicos del aire, en lo cual se considera que en la ventilación de minas se utiliza el peso específico estándar P.E. = 1,2 kg /m3; que es el peso de 1 m3 de aire, con la presión de 1 atm; temperatura de 15° y la humedad de 60 %, las resistencias de las labores mineras al movimiento de aire se divide en arbitrariamente en 3 tipos como resistencia de rozamiento de aire contra las paredes de la labor y de las partículas entre sí, resistencias locales y resistencias frontales. . Trabajo “Ventilación de Minas Subterráneas y Túneles – Práctica, Aplicada y Avanzada en Minería Clásica y Minería por Trackless, Primera Edición ,Instituto de Ingenieros de Minas del Perú 2011”. Autor, Pablo Giménez Ascanio, Ingeniero de Minas.. Cuyas conclusiones principales son:. Ejecución. del. mapeo. de. ventilación. de. una. mina. para. determinación del volumen del aire que circula y la evaluación de la ventilación de la mina, la ejecución consiste en ubicarse en las estaciones de la ventilación pre establecidos y determinar el sentido de avance del aire mediante bombilla de humos. . Trabajo “Evaluación integral del sistema de ventilación, modelamiento y diseño mediante el uso del software ventsim visual avanzado en la U.M. ANIMON MINERA CHUNGAR” tesis sustentado Universidad Nacional de San Agustín año 2015. Autor, Olguin Pierola Torres, Ingeniero de Minas.. Cuyas conclusiones principales son: 11.

(29) Estudio para el diagnóstico del sistema de ventilación actual, cálculo, calibración y simulación de los circuitos de ventilación en 3D, mediante el uso del software VentSim® 2.2 DEFINICIÓN DE VENTILACIÓN DE MINAS Se. puede. definir. como. el. trabajo. realizado. para. lograr. el. acondicionamiento del aire que circula a través de las labores subterráneas. Siendo su objetivo principal el proporcionar un ambiente seguro, saludable y cómodo para los mineros. Diluir los contaminantes a concentraciones seguras.. A fin de lograr este objetivo, será necesario garantizar una dotación de aire fresco y limpio tanto a los frentes de trabajo como a las galerías de acceso a estos, disminuir la temperatura y humedad aprovechando las condiciones naturales de la mina y empleando medios auxiliares como fuera necesario.. 2.3 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN DE MINAS El diseño de un sistema se puede considerar en dos partes:. La primera parte comprende: . El planeamiento de las necesidades de aire en las labores subterráneas.. . El planeamiento de la distribución del flujo de aire a fin de satisfacer dichas necesidades.. La segunda parte es usualmente la más complicada ya que comprende: . La ubicación, dimensionamiento y determinación de las propiedades aerodinámicas de los conductos del aire.. 12.

(30) . La ubicación y determinación de las características que deben de tener los ventiladores.. . La ubicación y determinación que deben de tener los reguladores y las puertas de ventilación.. . La evaluación del papel desempeñado por la ventilación natural y otras fuentes de presión.. . El diseño de planos de ventilación que contemplan eventualidades tales como falta de uno de los ventiladores, incendios subterráneos y otras emergencias.. Las condiciones locales podrían eventualmente requerir la consideración de otros aspectos mencionados.. Cualquier distribución del flujo del aire que se adopte podrá ser lograda de maneras diferentes, debiendo determinarse la solución técnica que resulte más económica.es decir un buen diseño de ventilación exige una cantidad considerable de trabajo si se requiere lograr resultados satisfactorios. 2.4. CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN Se debe manejar los siguientes conceptos para el diseño de un circuito de ventilación:. . Aire de mina.. . Gases presentes en las minas.. . Polvo en las minas.. . Condiciones termo-ambientales.. . Psicrometría.. 2.4.1. Aire de mina Denominaremos aire de mina a una mezcla de gases y vapores, generalmente con polvo en suspensión, que ocupa el espacio creado por las labores subterráneas. Se trata del aire atmosférico, 13.

(31) que al ingresar a la mina sufre una serie de alteraciones en su composición. Si las alteraciones son tan pequeñas que el aire puede ser considerado como atmosférico, nos referiremos a él cómo aire fresco o de ingreso, mientras que el aire contaminado será descrito como aire viciado o de retorno.. Durante su paso por la mina , el aire recoge algunos gases, calor y polvo producido por las operaciones mineras, simultáneamente debido a la presencia de seres humanos y de materiales en su interior de mina el aire pierde parte de su oxígeno.. Durante el invierno, cuando el aire en el exterior de la mina es relativamente seco, absorberá además la humedad de la atmósfera de la mina. Durante el verano, el proceso se invertirá, razón por la cual la mayoría de las minas tienden a secarse en el invierno y volverse húmedas durante el verano. 2.4.2 Gases presentes en las minas Los gases contaminantes se producen con frecuencia en las minas tanto en condiciones normales como anormales. Por ejemplo el CO2 es producido por motores diesel y los disparos. A continuación se detallan los gases presentes en las minas:  Nitrógeno N2.  Oxigeno O2.  Anhídrido carbónico CO2.  Monóxido de carbono CO.  Óxidos de nitrógeno.  Anhídrido sulfuroso SO2.  Ácido Sulfhídrico H2O.  Metano CH4.. 14.

(32) 2.4.3 Polvo en las minas. El polvo que ocurre en las minas es un material solidó finamente dividido, el cual, dependiendo del tamaño de sus partículas, de su concentración y su composición, puede constituir un peligro tanto para la salud del personal como para la seguridad de la operación en lo que se refiere a visibilidad.. En aquellas operaciones en las que inevitablemente se produce polvo,. deberá. hacerse. todo. lo. posible. por. mantener. la. concentración de este en el aire lo más baja posible, procurando evitar que entre en suspensión; cuando esto último no sea posible, deberá impedirse que el polvo en suspensión sea inhalado por el personal o por lo menos, reducir el mínimo tiempo de exposición del trabajador al aire contaminado. 2.4.4 Condiciones termo-ambientales El calor en el ambiente de la atmósfera de minas subterráneas está relacionado con las propiedades térmicas del macizo rocoso circundante, influencia de la temperatura exterior, auto compresión del aire y otros factores como la emisión térmica de máquinas diesel, voladuras, metabolismo humano y aguas termales.. En el estudio de investigación realizado para la evaluación del impacto ambiental térmico en minas subterráneas, se consideró como parámetro principal la temperatura. Esto, pues a ciertas profundidades, cuando la temperatura de la atmósfera subterránea excede el valor máximo admisible por las normas y estándares de confort o comodidad térmica, se presenta el riesgo ambiental térmico sensación térmica neutra (W/m2); y Eres es el intercambio de calor por evaporación por respiración (W/m2). Estos parámetros pueden ser determinados con otras ecuaciones particulares y mediante valores experimentales.. 15.

(33) 2.4.4.1 Comodidad térmica. La comodidad térmica es aquella condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico (ISO 7730).. La comodidad térmica de un ambiente se puede evaluar con el índice PMV (Predicted Mean Vote) y el índice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) como se indica en la figura 01.. PPD  100  95.e ( 0,03353PMV. 4.  0, 2179PMV 2 ). (1). Fuente:Tesis “Cálculo de parámetros y diseño de la red de ventilación en labores de veta clara en mina San Juan de Chorunga” 2013.. Figura 01: Evaluación de la comodidad térmica del ambiente. Esta comodidad térmica se puede obtener a través de la temperatura operativa o de comodidad (tc) expresada por la siguiente ecuación, que es la temperatura en la que la persona tiene una sensación térmica cómoda, y se puede obtener con la ecuación de comodidad.  H  E c  E res  PMV t c  34  714,29   1  0.036M M  0,028)  M (0,303.e . (2). Donde M es el nivel metabólico del hombre (W/m2); H es el calor 16.

(34) perdido por el cuerpo por convección, radiación y conducción (W/m2); Ec es el intercambio de calor por evaporación en sensación térmica neutra (W/m2); y Eres es el intercambio de calor por evaporación por respiración (W/m2). Estos parámetros pueden ser determinados con otras ecuaciones particulares y mediante valores experimentales.. 2.4.4.2. Temperaturas de comodidad térmica. Las temperaturas de comodidad térmica, de acuerdo con la Norma Brasileña. NBR. 6401,. la. Internacional. Organization. of. Standarization ISO 7730 y la American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers ASRAE, son las indicadas en la tabla 01.. Condiciones. NBR 6401 (1980). ISO 7730 (1994). del frente de. ASHRAE (1997). trabajo. Ts (ºC). Hr (%). To (ºC). Hr (%). To (ºC). Top(ºC). Temperaturas. 23 – 25. 40 - 60. 23 - 26. 30 - 70. 23 - 29. 22. 20 – 22. 35 - 65. 20 - 24. 30 - 70. 20 – 23,5. 24,5 – 27. altas Temperaturas bajas Fuente: Tesis “Cálculo de parámetros y diseño de la red de ventilación en labores de veta clara en mina San Juan de Chorunga” 2013.. Tabla 2: Temperaturas de confort Ts: temperatura seca, Hr: humedad relativa, To: temperatura operativa, Top: temperatura óptima.. Algunos países tienen estándares determinados considerando los límites máximos permisibles de temperatura seca, húmeda o temperatura efectiva. En el caso del Perú es de 30ºC de temperatura efectiva; en el caso de Portugal es de 3ºC que, como se puede ver, no está dentro de lo actualmente aceptado por normal internacionales como la ISO 7730.. 17.

(35) 2.4.5 Psicrometría En el proceso de ventilación de una mina, el aire ingresa a esta en condiciones atmosféricas y a su paso va incorporando humedad y calor en el ambiente, lo cual significa que su densidad, contenido de humedad y presión varían constantemente, aspectos que necesariamente se tendrán que tener en cuenta en los cálculos que se haga. Al estudio de los cambios que experimenta el aire con la temperatura, humedad y presión se le denomina Psicrometría. A continuación se muestra el abaco para determinar las propiedades del aire Grafico 1.. Fuente Area de ventilacion mina. Grafico 1: Abaco para determinar propiedades psicométricas del aire. 2.5. NECESIDAD DE VENTILACIÓN EN UNA MINA La cantidad necesaria para una mina o sección de mina, tajo, chimenea o frontón, se calcula en función de diferentes necesidades y parámetros establecidos del modo siguiente:. 18.

(36) . Para diluir y trasladar los gases, polvos, humos y calor producido en las operaciones mineras.. . Para dar confort a los trabajadores que laboran en ambientes calurosos, si en la mina no se usan equipos Diesel o no hay calor, entonces estas necesidades de aire son cero.. 2.6 LEYES ELEMENTALES PARA EL FLUJO DE AIRE Dentro de las principales leyes que rigen el flujo de aire, se pueden enunciar las siguientes: . Para que el aire fluya de un punto a otro, debe de haber una diferencia de presión entre los dos puntos (ingreso y salida de conductos de aire).. . El aire siempre fluirá del lugar donde hay alta presión hacia la baja presión, continuando este flujo tanto como la diferencia de presión sea mantenida.. . Cuanto más grande sea la diferencia de presión entre estos dos puntos, más grande es la cantidad de flujo de aire (P∝Q y/o P∝Q2).. . Cualquier resistencia a la presión, reducirá la cantidad de flujo de aire.. . Cuando la resistencia entre los dos puntos es incrementada, la cantidad de flujo de aire decrece.. 2.7 CAÍDA DE PRESIÓN DEL AIRE Y LA ECUACIÓN DE VENTILACIÓN Investigaciones por los años 1800, reconocieron que la presión es incrementada cuando la cantidad de flujo también se incrementa, es decir; la presión es proporcional a la cantidad flujo de aire, es decir:. Ecuación 01: Caída de presión para Flujo laminar. ∝ Dónde: R: Resistencia (Ns2/m8). P: Presión (Pa). Q: Cantidad de aire (m3). 19.

(37) Esta ecuación se mantiene mientras que el flujo sea laminar; se notó también que para flujos turbulentos, se requería el doble de la cantidad de flujo de aire y para incrementar la cantidad en tres veces, se requería una presión de nueve veces la cantidad original. En otras palabras la presión requirió ser incrementada con el cuadrado de la cantidad; llamando desde ese entonces la ecuación de ventilación como:. Ecuación 2: Caída de presión para flujo turbulento:. La última ecuación es ampliamente usada en la ventilación de minas, pues; generalmente en ella reina el flujo turbulento.. En su forma más general la ecuación de ventilación muy conocida como la ecuación de Atkinson es la siguiente:. Forma general de la ecuación de Atkinson.. Dónde:. : Diferencia de presión [Pa] R: Resistencia [Ns2/m8] Q: Cantidad de aire [m3/s] K: Coeficiente de fricción [Ns2/m4] C: Circunferencia del ducto[m] L: Longitud del ducto [m] A: Área seccional del ducto [m2] : Densidad del aire [Kg/m3] : Densidad estándar del aire [Kg/m3]. 20.

(38) 2.8 EFECTOS TERMODINÁMICOS EN LA VENTILACIÓN NATURAL La ventilación natural, es el resultado de las diferencias en elevación entre aberturas mineras sumado a la adición de energía calórica al aire cuando este pasa a través de los lugares de trabajo. El aire a medida que fluye a través de una mina gana calor debido a muchas razones tales como el gradiente geotérmico, auto compresión y la oxidación. También puede ser enfriado debido al contacto con agua fluyendo en las chimeneas o debido a las temperaturas de la roca siendo más frío que el aire exterior. Como resultado, sucede el desplazamiento de una columna de aire caliente por las columnas de aire más frías.. Cuando la diferencia de elevaciones entre las aberturas es muy pequeña de modo que las columnas de aire no tienen diferencia significativa en densidad, naturalmente el flujo de aire no ocurre. Si por otro lado el flujo es inducido por algún medio mecánico tal como un ventilador, el flujo puede continuar siempre que se añada calor al flujo de aire y la diferencia de temperaturas entre las dos columnas de aire exista. Aun si los ventiladores pararán, esta diferencia de temperatura entre las dos columnas de aire continuará para ayudar en el movimiento de aire (ventilación natural ejercida en la misma dirección al flujo) desde la entrada hasta el retorno, aunque la cantidad manipulada pueda caer rápidamente. Aún si las elevaciones entre las aberturas sean las mismas; si las condiciones de clima local usan una diferencia significante en la temperatura (. ) del aire superficial encima de las aberturas, el flujo de. aire sucederá. 2.9 IMPORTANCIA. DE. LA. CAÍDA DE. TEMPERATURA. EN. LA. VENTILACIÓN NATURAL (PVN) El flujo de aire de una mina ocurrirá siempre que haya una diferencia de presión entre la entrada y el escape de esta. La PVN, es también formada cuando hay una diferencia en la temperatura y la densidad del aire dentro de una columna vertical dentro de la mina y la correspondiente columna de aire externa a la mina. Cuando estas columnas de aire son 21.

(39) conectadas, ocurrirá el flujo de aire.. A menudo esto es conocido como el efecto chimenea, donde el aire caliente se eleva hacia la abertura desplazando el aire más frio de arriba y arrastrando más aire hacia la parte inferior. Este método fue practicado 600 años antes de Cristo por los griegos. (Figura 2).. Fuente internet. Figura 2: Efectos de la variación de temperatura en columnas de aire En las minas esto ocurre cuando hay una diferencia de temperatura entre el lugar de trabajo y la superficie. La variación de las temperaturas ocurrirá entre el día y la noche, del verano a invierno y quizá de hecho fluya en direcciones opuestas. En verano el calor causará que el aire fluya hacia el lugar de trabajo mientras que en los meses del frio invierno será al revés; teniendo impacto en el punto de operación de los ventiladores primarios. Aunque este impacto es limitado, el potencial de la PVN necesita ser cuantificado. 2.10 DECRECIMIENTO DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA CON LA ALTITUD La superficie terrestre está contenida dentro de una atmósfera y sometida a la fuerza de atracción gravitacional; este campo gravitacional hace que 22.

(40) el peso de aire ejerza una presión sobre la superficie de la tierra; esta presión, es causada por el peso del aire contenido sobre esta superficie, (figura 03).. La presión atmosférica al nivel del mar tiene una variedad de equivalencias en los diferentes sistemas de unidades de medidas para la presión. Dentro de esa gran gama de unidades existente, la presión atmosférica al nivel del mar es expresada en las siguientes unidades:  1 Atmósfera.  1,013 Bar.  101,325 kPa.  760 mm de Hg.  760 Torr.. La ecuación que gobierna el comportamiento de la presión atmosférica sobre todo en Troposfera está dada por:. Dónde:. : Presión atmosférica estándar [Pa] : Base de los neperianos. : Constante gravitacional [m/seg2] : Altura donde se desea calcular la presión [m] : Constante del aire atmosférico [J/Kg °K] : Temperatura absoluta [°K]. Puede claramente notarse en esta última ecuación que la presión tiene un decrecimiento exponencial conforme se incrementa la altura; esto quiere decir que tendremos menor presión atmosférica conforme se esté ubicado a mayor altitud sobre el nivel del mar, (gráfico 2). 23.

(41) Fuente internet. Figura 3: Presión a diferente altitud. Decaimiento de la presión atmosférica en función de su altitud 7000 6500 6000. Altitud [m.s.n.m.]. 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 35. 40. 45. 50. 55. 60. 65. 70. 75. 80. 85. 90. Presion atmosferica [Kpa] Fuente internet. Grafico 2: Presión vs Altitud 24. 95 100 105.

(42) 2.11 CURVA CARACTERÍSTICA DE LA MINA El trazado de las presiones de minas (estáticas, totales o ambas) como una función de la cantidad de flujo circulante en sus conductos, resulta en la llamada curva característica de la mina, (gráfico 03).. Fuente Área de ventilación MINERA SOTRAMI S.A.. Grafico 3: Curva característica de mina Lo más notable de resaltar de este gráfico (presión en función del caudal circulante en un ducto cualquiera), está en que las curvas características de una mina en cuanto a su presión estática o presión de velocidad casi siempre se traslapan siendo la presión de velocidad mínima o despreciable. Otro punto importante de resaltar es cuando las curvas características de un ventilador y la curva característica de la mina son trazadas sobre un mismo gráfico, ellas llegan interceptarse en un punto, este punto de intersección es conocido como el “Punto de Operación”. En pocas palabras cuando un ventilador es introducido al circuito minero, la cantidad de aire fluyente a través de la mina y la presión generada por el ventilador son completamente determinadas por las curvas características del ventilador y la mina. 25.

(43) Fuente Área de Ventilación MINERA SOTRAMI S.A.. Grafico 4: Punto de operación de un ventilador. Considere la curva característica de la mina (B) mostrada en el gráfico 04 y la curva característica del ventilador (C) superpuesta sobre esta. Estas dos curvas características se intersecan en el punto de operación (O). Un ventilador cuya curva característica de presión está definida por la curva B: 100,000 CFM (47,2 m3/s) en 5 Pulg. de H2O (1,244Kpa). Cabe notar que el verdadero punto de operación es el punto de intersección de la curva característica de la presión total del ventilador y la de la mina. La intersección de las dos curvas de presión estática, da el punto de operación únicamente si las presiones de velocidad del ventilador y la mina son la misma o si su diferencia es muy pequeña.. Para evitar bajas eficiencias y/o desempeños inestables, la intersección de las curvas características deberían de permanecer en la parte superior de la curva característica del ventilador y a la derecha del punto de parada del ventilador cuando una operación inestable pueda ocurrir, en especial con ventiladores de flujo axial. Si el punto de operación medido de un ventilador no cae en la curva característica del ventilador suministrada por el fabricante, y el desempeño del ventilador es estable, el ventilador está operando en descenso, debajo de la porción de eficiencia de la curva. 26.

(44) 2.12 PRESIÓN DE VENTILACIÓN NATURAL PVN La tasa de desplazamiento de una columna de aire por otra, es proporcional a la diferencia en temperaturas de las dos columnas. La diferencia en temperaturas cuenta para la diferencia de densidad y caída de presión generada. Esta diferencia de presión, debido a que se levanta de las condiciones naturales; es conocida como presión de ventilación natural PVN.. La magnitud y dirección de la PVN no son controlables pero si predecibles si se entienden y usan herramientas tales como modelos físicomatemáticos. La PVN es independiente de la cantidad de flujo, dependiendo únicamente de la diferencia de temperatura y la altura que existe en las columnas de aire.. La PVN puede ser vista como un ventilador con características paralelas a la cantidad axial (es decir un ventilador de carga constante). Así la cantidad de aire fluyente a través de una mina debido a la PVN es únicamente función de la característica de la mina. A una mina de alta resistencia, fluirá una cantidad menor que en una mina de baja resistencia, (gráfico 05). Mina de alta resistencia. Mina de baja resistencia. PVN. Cantidad CFM [m3 /s] Fuente: área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Grafico 5: Caudal vs Presión 27.

(45) 2.13. PARÁMETROS DE CÁLCULO UTILIZADOS EN VENTILACIÓN. 2.13.1.. Leyes de Kirchhoff. Gustav Robert Kirchhoff (1824 – 1887). Las leyes de Kirchhoff aplicadas originalmente en circuitos eléctricos, también puede aplicarse en los circuitos de ventilación de minas, donde los caudales de aire y caídas de presión son análogos a la corriente y voltaje respectivamente.. 2.13.1.1. Primera ley de Kirchhoff (Ley de continuidad) La primera ley de Kirchhoff para redes de ventilación en minas establece que la suma algebraica de todo flujo de aire en cualquier unión o nodo es cero. Esto se refiere a que la suma de todas las cantidades de aire que fluyen hacia una unión debe ser igual a la suma de todas las cantidades de aire que salen del nodo, (figura 04).. Fuente Área ventilación mina Minera SOTRAMI S.A.. Figura 4: Primera Ley de Kirchhoff 2.13.1.2. Segunda ley de Kirchhoff (Ley de circulación) La segunda ley de Kirchhoff, en forma análoga establece que la suma algebraica de las caídas de presión de todos los ramales integrantes de una malla es cero. En el caso específico de ventilación minera, es normal que existan de por medio 28.

(46) presiones de ventiladores (Pf) ubicados en alguna malla, así como presiones por ventilación natural (pvn), los cuales hay que tener en cuenta estos factores, (figura 05).. Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 5: Segunda Ley de Kirchhoff 2.13.2.. Método de Hardy Cross La técnica que ha encontrado la más amplia difusión es el método desarrollado por Hardy Cross. Esta técnica iterativa considera un flujo de aire Q que pasa a través de un conducto de resistencia R, en el cual se cumple la relación. P = RQ2 Dónde:. P: Presión [Pa] R: Resistencia [Ns2/m8] Q: Cantidad de aire [m3/s]. Para determinar el valor verdadero del flujo Q, el valor Qa inicial es estimado tal que: Q = Qa + Q. Donde delta Q es el error existente en el Qa asumido. El problema ahora es encontrar el valor delta Q a ser aplicado al valor asumido de Qa. Sí se considera la representación real de 29.

(47) los conductos de aire en una mina, esto no se encuentran aislados, sino integrados a una red de conductos, cuya magnitud también depende de la extensión de la red. 2.13.3.. Circuitos de ventilación En ventilación de minas hay dos tipos de combinación de galerías por donde fluye el flujo de los sistemas de ventilación; y son flujos en serie a través de galerías en línea y flujos en paralelo a través de galerías en bifurcaciones hacia paralelo y ambas se acoplan una después de la anterior formando una red, la cual tiene que ser calculada en volúmenes y resistencias para conocer la resistencia o estática total de la red y sus volúmenes y poder pedir el ventilador adecuado.. Es decir esta red está formada por circuitos en serie y circuitos en paralelo existiendo la necesidad de convertir los circuitos en paralelo en circuitos en serie para tener un solo circuito en línea que nos dé un valor de la resistencia que vencer.. 2.13.3.1. Circuitos en serie Este circuito tiene las siguientes relaciones: El volumen total de aire es el mismo a través de todo el circuito desde que ingresa el aire a la mina hasta que sale de ella es decir: QT = Q1 = Q2 = Q3 = Q4 = .. La resistencia total es igual a la suma de las pérdidas o resistencias de cada una de las galerías por donde viaja el flujo, esto es: PT = P1 + P2 + P3 + P4 + .. La relación que hay entre (PT) y el volumen Q T del flujo que viaja es igual. PT = RQ2. 30.

(48) Pero como todos los volúmenes son iguales se puede escribir que: RT = R1 + R2 + R3 + R4 + .. En circuitos en serie los requerimientos de fuerza o energía eléctrica son altos, para un determinado volumen, porque los HP para trasladar el peso del aire son acumulativos. En un circuito en serie dentro de una mina de vetas verticales el circuito en sería el siguiente (figura 06):. Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 6: Circuito en serie con puertas. Y su esquema lineal para cálculo de cada una de las PL o resistencia es la siguiente, (figura 07):. Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 7: Esquema lineal Que calculados y analizados, dice cuál es el tramo más resistente en mina que debemos inspeccionar para mejorarlo y ver el modo de reducir esta resistencia (figura 08). 31.

(49) Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 8: Circuitos en serie. 2.13.3.2. Circuitos en paralelo Es cuando el flujo o volumen total de aire es distribuido o dividido en varias galerías. En la ventilación de minas cuando se está haciendo un circuito en paralelo se dice que se está haciendo un splitting y cada ramal del circuito en paralelo se llama split y este circuito paralelo tiene las siguientes relaciones: Cuando el flujo pasa por galerías en paralelo, o galerías que se bifurcan el volumen total es la suma de los volúmenes que pasa por cada ramal: QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + .. La pérdida de resistencia es la misma a través de cualquier ramal o galería: PT = P1 = P2 = P3 = P4 = .. Pero sabiendo que P = RQ2, se puede decir que la P se puede hallar conociendo la R y el Q sin necesidad de usar la fórmula de resistencia y de lo anterior se puede decir también que:. Pero como:. 32.

(50) Se tendrá que:. Se dice que cada R o resistividad involucra a las características de cada galería o conductos de los cuales se quiere conocer sus resistencias, con datos obtenidos en el mapeo de campo que permiten calcular las resistencias de estos conductos. Si la estática es la misma o constante.. Y si se puede escribir o decir que:. Y si estas igualdades se dividen se tendrá que:. De donde Q1 es igual a:. Que es una de las relaciones que indica que conocidas las características o resistividad de las galerías R1yR el volumen Q que se quiere distribuir, se puede hallar el volumen que pasará por Q1. Esta igualdad da solución a muchos problemas de ventilación minería con solo conocer las características de cada ramal. Y el valor de R lo obtenemos de la fórmula:. Ecuación, en la que se tienen todos los datos que se han obtenido en el mapeo de mina y que ahora sirven para hallar las 33.

(51) resistencias por cálculos y poder distribuir el volumen principal por diferentes ramales conforme exigen las operaciones En mina un circuito en paralelo es del siguiente modo, (figura 09):. Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 9: Circuito en paralelo. Y su esquema para calcular el circuito es el siguiente:. Fuente Área de ventilación Minera SOTRAMI S.A.. Figura 10: Esquema para calcular el circuito. Para el cálculo de las resistencias inicie por determinar la resistencia equivalente de ceh y de cfgh, esta resistencia equivalente hay que calcular con la resistencia d para tener otra resistencia equivalente la que se sumará a la resistencia de a é i para tener la resistencia total desde el punto 1 al punto 2 y poder pedir el ventilador adecuado.. El costo de la fuerza eléctrica en HP se reduce fuertemente para una determinada cantidad de aire cuando se establece circuitos en paralelo. Cada tajo debe ser un ramal de un circuito en paralelo para lograr frescura y aire no tan contaminado pero de modo controlado, en la cantidad que requiere este a la velocidad 34.

(52) mínima de transporte. Muchos tajos no tienen la velocidad mínima que todo supervisor debe exigir. 2.13.4.. Ley básica de la ventilación de minas Las leyes del estado del flujo de aire indican que por una cantidad de aire que circule entre dos puntos, debe de existir una diferencia de presión entre estos puntos.. La relación entre la diferencia de presión (P) y la cantidad de flujo de aire (Q). Si no existe una diferencia de presión no existe una cantidad de flujo, es decir si. P = 0, Q = 0. Mientras mayor. sea P, mayor será Q. En el caso de aquel aire de mina que circula subterráneamente en donde el patrón del flujo es turbulento (es decir, como un río que fluye en los rápidos), la relación entre las dos cantidades puede expresarse en la ley cuadrática: P = RQ2 Dónde:. P: Pérdida de presión (Pa). R: Resistencia (Ns2/m8) Q: Flujo del volumen (m3/s). El término R de la ecuación se denomina como la resistencia del conducto de ventilación o del ducto al cual se aplica.. Si es necesario duplicar el volumen del aire que circula a través del ducto o del conducto de ventilación, la presión requerida no es el doble de la presión original sino el cuádruple, es decir 22 x la presión original. Similarmente para triplicar la cantidad requerida, se debe aumentar nueve veces la presión original, es decir 32 x la presión original. 35.