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Servicios Generales Mina

I Semestre, 2008 AYUDANTIA PEP I

Ventilación EL AIRE: Se define como una mezcla mecánica de gases que, en su estado puro y seco tiene la siguiente composición: Elementos NITROGENO (N2) OXIGENO (O2) DIOXIDO DE CARBONO (CO2) ARGON Y OTROS GASES

% en volumen 78.09 20.95 0.03 0.93

AIRE ATMOSFERICO DE LA MINA: El aire atmosférico al ingresar a la mina sufre cambios en su composición. El N2 sube, el O2 baja, aumenta el CO2 y también se produce un aumento del vapor de agua. Existe generación de otros gases y polvos que también se suman a esta nueva composición. CAUSAS: 1.-Respiración de los hombres. 2.-Equipos de combustión interna 3.-Tronaduras e incendios (explosivos nitrosos, anfo). 4.-Descomposición de sustancias o materias minerales y/u orgánicas. 5.-Presencia de aguas estancadas. 6.-Operaciones básicas de la explotación. Es de vital importancia conocer y vigilar los gases que se producen durante la explotación de la mina, ya que variaciones por sobre las concentraciones normales, pueden derivar en desastrosas consecuencias. Para ello existen una serie de reglamentos acerca de las condiciones de trabajo en una labor minera. Uno de ellos es el DS594/2000 y el 210/2001, junto con el DFL 72 (Reglamento de seguridad minera) este ultimo es uno de los mas importantes, ya que nos establece que la cantidad de aire a inyectar es una mina es de 100 cfm por persona, y en este circuito de ventilación no puede haber mas de 75 personas. Además decreta velocidades máximas y mínimas de los flujos de aire. Los 2 primeros decretos tienen que ver con las condiciones sanitarias mínimas en los lugares de trabajo y dependen del Ministerio de Salud.

1 Preparado por: Cristian Herrera Hernández

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I Semestre, 2008

CLASIFICACION DE LOS GASES EN LAS MINAS:

1.- GASES ESCENCIALES: Indispensable para la vida del hombre Aire atmosférico Oxígeno. 2.- SOFOCANTES: Se conocen también como desplazadores. Estos producen ahogos y en altas concentraciones pueden producir la muerte. o o o o

N2 CO2 > 15 % Fatal. CH4 C2 H2 (Acción del agua sobre el carburo de calcio, olor a ajo).

3.- TOXICOS O VENENOSOS: Nocivos al organismo por su acción venenosa. o o o o

CO Humos Nitrosos (olor y sabor ácidos). Hidrógeno Sulfurado H2 S (LPP 8 ppm, olor a huevos podridos). Anhídrido Sulfuroso SO2 > 15 % FATAL. (1,6ppm LPP)

4.-EXPLOSIVOS O INFLAMABLES: En altas concentraciones forman mezclas explosivas con el aire. o o o

Metano : CH4 Monóxido de carbono: CO (13 - 75%) C2 H2, H2 S ( 2.5 – 80 % inflamable y explosiva , > 6% respectivamente)

OXIGENO: Es un gas incoloro, inodoro e insípido y su importancia es mantener la vida y además mantener la combustión. Cuenta con un peso específico de 1.105. Durante el proceso de respiración, parte del oxígeno que contiene el aire inhalado por los pulmones, es retenido en la hemoglobina de la sangre y ésta, lo distribuye en forma constante a todos los tejidos del organismo, produciéndose así la oxidación de las sustancias alimenticias y se produce la energía que requieren las funciones biológicas.

Componentes Oxigeno Nitrógeno Dióxido de Carbono Vapor de agua

Volumen de aire inhalado 20.16% 78% 0.03% 1.81%

Aire exhalado por los pulmones 16.2% 74.8% 4% 5%

2 Preparado por: Cristian Herrera Hernández

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DEFICIENCIA DE OXIGENO Cuando el porcentaje de O2 baja por el consumo de maquinaria diesel, tronaduras, oxidación de la roca, etc. O bien cuando es desplazado por gases inertes como el nitrógeno, se produce una deficiencia del contenido de oxígeno en el aire, lo que se conoce como soroche y que es altamente peligroso para la vida. Por tanto, no es higiénicamente aceptable, concentraciones de oxígeno inferiores al 19,5% de O2, siendo este el límite inferior legal. (Art. 394, D.S Nº 72 1985 Ministerio de Minería) CONSUMO DE OXIGENO POR PERSONA Actividad trabajo Reposo Moderado Vigoroso

o Respiraciones por minuto 12 a18 30 40

Aire inhalado lts/min. 4.7 a 12.8 44.4 a 59.1 98

O2 consumido lts/min. 0.28 1.98 2.83

Cuociente respiratorio 0.75 0.9 1

Cuociente de respiración: Es la razón entre el CO2 expelido y el O2 consumido en volúmenes. CR = CO2 EXPELIDO / O2 CONSUMIDO Dentro de los proyectos de ventilación de una mina se debe tener en consideración una serie de factores, dentro de los cuales el más importante es el poder calcular la cantidad de caudal necesario para diluir las sustancias nocivas. Los métodos para determinar el caudal de aire requerido dependen de 5 factores muy importantes: a) b) c) d) e)

La cantidad de gases que se desprenden El nº de personas que se encuentran en una misma labor El gasto de explosivos La cantidad de equipos diesel Método de explotación a utilizar

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Formulas para el cálculo de caudal necesario para diluir una cantidad “x” de gas nocivo •

Q=

Frente abierto

Qg LPP − β

Q = caudal necesario para dilucion (cfm) Qg = caudal de gas nocivo que se esta generando (cfm) LPP = limite permisible

β = cantidad de gas nocivo en la corriente de aire fresco

* Caudal requerido para dilución de polvo

Q=

N LPP − β

Q = caudal necesario para dilucion (cfm) N = (gr/m 3 ) o conteo de particulas LPP = limite ponderado promedio β = cantidad polvo en la corriente de aire fresco Como podemos ver, en ambos casos se ocupan las mismas ecuaciones, sin embargo nos entregan resultados diferentes, en el primer caso calculamos el caudal requerido para una cierta cantidad de gas nocivo y en el otro caso el mismo caudal pero para una dilución de polvo.

4 Preparado por: Cristian Herrera Hernández

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τ =

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Frente ciego

Y  Qg − Q ⋅ Xo  ln Q  Qg − Q ⋅ X 

τ = tiempo en diluir el volumen Y Xo = concentracion inicial de gas nocivo X = concetracion aire de salida Y = Area ⋅ Largo seccion

Existen 2 posibilidades de modificar dicha ecuación: a) Si Xo = 0 tenemos lo siguiente:

τ =

Qg Y  ln Q  Qg − Q ⋅ X

   

b) Si Qg = 0 (generación de gases no es constante, caso tronadura).

τ=

Y  Xo  ln  Q  X 

Esta establecido por ley que la cantidad de cfm por hombre al interior de una mina es igual a 100. Lo mismo ocurre con los equipos diesel, por cada equipo se suma 100 cfm. La particularidad del cálculo de caudal requerido por equipo es que si tenemos 3 o mas el desarrollo del problema sigue así: Ejemplo: Si tenemos 2 LHD de 180 BHP, calcular el caudal diesel requerido por ley. En este caso el Q diesel = 100 cfm * 180 BHP * 1 + 100 cfm *180 BHP * 0.75

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TABLA DE GASES Formula SO2 NOx CO2 H2S N CO

Peso especifico 2.2 1.59 1.529 1.19 0.971 0.967

LPP (ppm) 1.6 2.4 4000 8 40

Cantidad de gas en el aire (%) 0.00005 0.03 78.09 0.00001

EJERCICIOS 1) ¿Cuántas horas teóricamente puede mantenerse vivo un minero que ha quedado atrapado en una labor de 1.5 * 2.4 mts a 9.2 mts de la frente? Asumir un C.R. de 0.9. Analizarlo bajo los siguientes puntos de vista: A. Por pérdida de oxígeno. B. Por sofocación de CO2. C. ¿Cuál es más relevante? Solución Volumen labor = 1.5*2.4*9.2 = 33.12 m3 C.R = 0.9 (actividad moderada) O2 consumido = 1.98 lts/min. CO expelido = 0.9 * 1.98 A. Balance de oxígeno. Q*0.21 - 1.98 > Q * 0.195 Q > 132 lts/min. Q = V/T T= V/Q = 33.12 mts3/ 0.132 mts3/min T = 250.9 min. = 4.18 hrs.

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B. Balance de CO2. Q * 0.0003 + 0.9 * 1.98 < Q* 0.004 Q < 481.62 lts / min. T = 33.12 mts3/ 0.48162 mts3/min. T = 68.76 min. = 1.14 hrs. C. Para este caso el minero moriría por sofocación de CO2 y no por deficiencia de oxígeno. 2) Calcular la cantidad necesaria de aire fresco para diluir los gases tóxicos producidos por un equipo diesel de 100 BHP. El caudal de aire debe ser suficiente para diluir los gases para que no excedan los valores de LPP dados por DS 594/2000 de Ministerio de Salud, si el análisis realizado a los gases del escape dieron los sgtes resultados: Gas Dióxido de Nitrógeno Monóxido de Carbón Dióxido de Carbón

Caudal/BHP 0.0015 cfm 0.0006 cfm 0.2670 cfm

LPP 2.4 ppm 20 ppm 4000 ppm

Solución Primero calculamos la cantidad de gas presente

cfm ⋅ 100 BHP = 0.15cfm BHP cfm Qg (CO) = 0.0006 ⋅ 100 BHP = 0.06cfm BHP cfm Qg (CO2 ) = 0.2670 ⋅ 100 BHP = 26.7cfm BHP Qg ( NO2 ) = 0.0015

Luego realizamos el cálculo para determinar la cantidad de caudal para diluir dichos gases.

0.15cfm = 62500cfm 2.4 ⋅ 10− 6 − 0 0.06cfm Q(CO) = = 3000cfm 20 ⋅ 10− 6 − 0 0.267cfm Q(CO2 ) = = 7216.21cfm 4000 ⋅ 10− 6 − 0.03 ⋅ 10− 2

Q( NO2 ) =

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Finalmente se procede al calculo de caudal hombre, diesel y por gases. Qdiesel = 100BHP*100*1 = 10000 cfm Qhombre =1persona * 100cfm = 100 cfm Qtotal = 10100 cfm Q gas =62500 cfm Siempre se elige el mayor en el caso de los gases, por este motivo el caudal necesario para poder diluir la frente es de 62500 cfm.

3) En una mina con alta sílice, se producen 30 billones de partículas de polvo menor a 10 micrones por minuto, cual es el caudal de aire necesario para diluir este polvo a un valor menor que el LPP permitido (2.7 mppcf), si el aire fresco tiene una concentración de 0.5 mppcf.

30 ⋅ 1012 particulas / min 106 Q= = 13.636cfm 2.7 − 0.5mppcf 4) En los próximos meses se tiene previsto en una mina realizar la ventilación de una galería de acceso donde transitaran 3 camiones bajo perfil de 200 BHP cada uno, 3 LHD de 220 BHP cada uno y 6 camionetas 4x4 de 100 BHP cada una. Se determina mediante un modelo que el aire existente en esa futura labor será de 10cfm y estará compuesto de: H2S (22%), CO (30%), CO2 (32%) y el resto de NOx. Para mayor seguridad se contrataran 2 estudiantes en práctica de la Universidad de Chile para que trabajen de loros. Se pide entonces calcular el caudal de gases nocivos, el caudal por persona y por equipos. 5) Durante un turno, el ingeniero a cargo al llegar a la frente donde se estaba construyendo una chimenea se percata que uno de sus viejos estaba asfixiado. ¿Como determinaría ud la causa de la muerte?, haga una analogía si ahora hubiese ocurrido lo mismo pero con un pique. 6) Como usted realizaría el aforo de la mina “Las Abuelitas”

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Hidrológia

Definir y representar cada una de las etapas del ciclo hidrológico, y señalar cual(es) es la mas importante en la minería chilena. Infiltración. Es el movimiento del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra. Precolación. Es el movimiento del agua a través del suelo. Evaporación. Emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición. El agua pasa de un estado liquido a vapor. Evapotranspiracion. Cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas. El régimen hidrológico se rige de acuerdo una serie de factores, señale cuales son. • • • •

características físicas características geológicas características topográficas características climatologicas o Precipitación o Evaporación o Temperatura o Humedad o Viento

Las 3 últimas intervienen sobre las precipitaciones y la evaporación ¿Qué es una hoya hidrográfica? ¿De que dependen sus características físicas? Es una area definida topográficamente, drenada por un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente es descargado a través de una salida simple. Sus características físicas dependen de la morfología, de la capa vegetal, geología del lugar, tipo de suelo, practicas agrícolas, practicas mineras, etc. ¿Como se distribuyen las precipitaciones en el suelo? • • • • •

Se interceptan (vegetación) Se infiltran Se evaporan Escorrentía superficial Escorrentía subterránea

9 Preparado por: Cristian Herrera Hernández

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Factores que intervienen en la capacidad de infiltración • • • • •

Humedad del suelo (lluvias anteriores) Cubiertas vegetales Tº del suelo y condiciones de contorno Tipo de suelo (tamaño de granos) Permeabilidad del suelo

Influencias meteorológicas en la evaporación • • • • •

Humedad del aire Tº del aire Tº de superficie Viento Presión atmosférica

Factores que influyen en la escorrentía superficial • • • • •

Humedad del suelo Capilaridad Tipo de suelo Cantidad e intensidad de las precipitaciones Topografía del terreno (pendientes)

CANALES ABIERTOS La idea de conocer el tópico de canales abiertos es el poder diseñar una canal para poder evacuar toda el agua contenida en la mina. Para la realización de un canal necesito conocer los siguientes conceptos básicos: 1) Radio Hidráulico (Rh)

A Wp A = area del canal

Rh =

Area del canal

Wp = perimetro mojado

Perímetro Mojado

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2) Velocidad de sedimentación (Vs) Si Vf (velocidad el fluido) < Vs, se sedimentaran las partículas obstruyendo el canal, lo que trae consecuencias a veces desastrosas ya que las partículas se posicionan en la parte basal del canal obstruyendo el libre paso del fluido impidiendo un buen drenaje de la mina.

3) Nº de Reynolds Nos sirve para determinar si el flujo es laminar o turbulento, que es muy importante en la sedimentación de partículas, ya que esto afecta en la erosión del canal abierto.

Re =

v⋅D

η

v = velocidad fluido D = diametro ducto

η = viscocidad Si Re < 2000 flujo laminar Si Re > 4000 flujo turbulento

Velocidad Fluido

V =

1 ⋅ Rh 2 / 3 ⋅ S 1 / 2 n

S = pendiente (tanto por uno) n = nº de maning (adimensional) Tiene que ver con el material del canal Rh = radio hidráulico en mts. Si n = 0.01 (superficies lisas) Si n = 0.1 (tierra)

Descarga Normal (Q)

Q = A ⋅V =

1 ⋅ Rh 2 / 3 ⋅ S 1 / 2 A n

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EJERCICIOS

1) Cuál seria la descarga normal de drenaje de una tubería de arcilla que tiene un diámetro de 200mm y corre a la mitad de capacidad. Esta instalada en una pendiente de 1%?

1  Area   Q= ⋅ 0.013  Wp 

2/3

 1  ⋅   100 

1/ 2

⋅ Area

1 π  Area =  ⋅ D 2  2 4  Wp =

π

⋅ D2

2 n = 0.013

[

Q = 1.64 ⋅ 10 −3 m 3 / seg

]

2) ¿Dónde existe mayor descarga normal, en una sección de canaleta semicuadrada o semi circular? Asuma que el area del cuadrado es 1m2 y que el lado del cuadrado es igual al radio del círculo. Demuestre

3) Diseñe un canal rectangular que se va a fabricar en concreto semiterminado formado para transportar 5.7 m3/seg. de agua cuando se instale sobre una pendiente de 1.2%. La profundidad normal deberá ser de la mitad del ancho del fondo del canal.

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EQUIPO DIESEL Aplicaciones a la minería. Se tiene conocimiento de los primeros motores a combustión interna utilizados en minería subterránea desde 1910, pero éstos presentaban los siguientes problemas: • • • •

Dificultad de control frente a los gases para diluir y/o disminuir todo efecto contaminante tóxico producido por los motores. Incendio durante la manipulación de combustibles altamente volátiles. Emanación de gases al ambiente, que pueden ser inflamables o explosivos al entrar en contacto con el motor caliente. Alto costo de construcción de lugares muy protegidos para el almacenamiento, traslado y trasbasije del combustible.

Los primeros motores diesel utilizados en ésta área fueron en Alemania (1927), ya que éstos emiten menos gases tóxicos y usan petróleo (combustible no volátil), es menor el peligro de incendio y explosión, por esto reemplazaron a los motores a gasolina y son los únicos utilizados en ésta área (minería subterránea), lo que protege la salud y seguridad de los mineros. La utilización general de los motores Diesel en minería subterránea fue a mediados de los años 50, y esto se debió principalmente a los nuevos diseños de motores, especialmente en el sistema de inyección del combustible, y al desarrollo de los lavadores y purificadores de los gases de escape, lo anterior ha disminuido la concentración de gases tóxicos en productos de escape de los motores diesel. Los equipos bien carburados no generan ningun gas nocivo, debe ser catalizado a la salida del multiple y a la salida del tubo de escape debe tener un burbujeador (consistente en un estanque de agua) al cual se debe cambiar el agua todos los dias, de esta manera se libera poco CO2 y vapor de H2O. Es importante conocer algunos articulos del DS 72 que se deberia tener en consideración: Art. 129. Se prohíbe usar en minas subterráneas, vehículos o equipos accionados por motores bencineros. Se permitirá el uso de vehículos o equipos automotores accionados por gas licuado o natural, siempre que cuenten con la aprobación de las autoridades nacionales competentes, debiendo contar con un sistema de seguridad que detecte fugas de combustible y un sistema incorporado contra incendio. Los vehículos o equipos accionados por gas licuado o natural solo podrán estacionarse en lugares especialmente ventilados que faciliten la no-acumulación de gas por fugas de combustible. También se permite, en general, el uso de máquinas y equipos automotrices diesel. Para que ellos trabajen en interior mina, deberán ser diseñados y acondicionados específicamente para este propósito. Los gases de escape de estos equipos deberán ser purificados y/o reducidos antes de ser descargados al ambiente.

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Art. 130. El tubo de escape de las máquinas diesel deberá ubicarse en la parte baja del vehículo, paralelo al chasis del equipo y por el lado contrario del operador. Art. 131. El combustible diesel usado por las máquinas debe tener un punto de inflamación mayor de cincuenta y cinco grados (55º) centígrados y no debe contener más de uno por ciento (1%) de azufre en peso. La temperatura de los gases de escape no debe ser mayor de ochenta y cinco grados (85º) centígrados. Art. 132. En los frentes de trabajo donde se utilice maquinaria diesel deberá proveerse un incremento de la ventilación necesaria para una óptima operación del equipo y mantener una buena dilución de gases. El caudal de aire necesario por máquina debe ser el especificado por el fabricante. Si no existiese tal especificación, el aire mínimo será de dos coma ochenta y tres metros cúbicos por minuto (2,83 m3/min.), por caballo de fuerza efectivo al freno, para máquinas en buenas condiciones de mantención. El caudal de aire necesario para la ventilación de las máquinas diesel debe ser confrontado con el aire requerido para el control de otros contaminantes y decidir su aporte al total del aire de inyección de la mina. De todas maneras, siempre al caudal requerido por equipos diesel, debe ser agregado el caudal de aire calculado según el número de personas trabajando. Art. 133. En el interior de la mina donde trabajen máquinas diesel se deberá evaluar y registrar lo siguiente: a) Las concentraciones en el ambiente de monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (NO+NO2), dióxido de nitrógeno y aldehídos. La calidad del aire estará dada por los efectos sumados de todos los gases presentes. Se recomienda efectuar estas mediciones, a lo menos una vez por semana o cuando las condiciones ambientales lo aconsejen. En áreas o labores que se consideran críticas, se deberá disponer de sensores y alarmas que alerten a los trabajadores cuando las concentraciones excedan los valores permitidos. b) Periódicamente a intervalos que no excedan de un mes, en el tubo de escape de la maquinaria diesel, las emisiones de monóxido de carbono, y óxido de nitrógeno. Art. 134. Las muestras de gases se tomarán directamente en el tubo de escape de la máquina con el motor funcionando, tanto en ralentí como en aceleración, a la temperatura de régimen de trabajo y sin embragar. Las muestras ambientales de gases serán tomadas en lugares representativos del sector de trabajo, con la máquina en operación.

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