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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALURGICA

OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN APLICANDO TECNOLOGÍAS INFORMÁTICAS MINERA HEMCO - NICARAGUA

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE MINAS PRESENTADO POR: Cesar Saúl Guillen Carbajal ASESOR: M.Sc. Fidel Julio Hidalgo Mendieta

Lima - Perú 2016

I

DEDICATORIA

A Dios por darme la vida, a mis padres por su apoyo constante e incondicional, a mi esposa por motivarme y a mis hijas por ser la inspiración de mi vida.

II

AGRADECIMIENTO

A la Empresa NOOVA7 S.A. y mis compañeros de trabajo, por apoyarme en mí informe. A los profesores de la Universidad Nacional de Ingeniería que me brindaron su valioso apoyo en mi formación profesional.

II

RESUMEN

Desde el año 2009 Compañía Minera HEMCO NICARAGUA S.A. (HEMCO), viene implementando modificaciones y cambios en la gestión, buscando mejorar su productividad, reducir el costo de operaciones y trabajar con estándares aceptables de seguridad. Como parte del plan estratégico y con el objetivo de incrementar gradualmente la producción de mina de 470 TPD a 1,300 TPD, se decidió iniciar con las labores de preparación y explotación en las vetas “Pluto”, “Venus”, así como la veta “Neblina”. Además el desarrollo del crucero Martha 850 por donde se proyecta extraer todo el mineral con equipos diésel, actualmente se utiliza locomotoras a batería. La mina presenta un sistema de ventilación a tiro natural, con recirculaciones de aire, que oscilan entre los niveles superiores (ventilación no definida) principalmente por la gran cantidad de chimeneas a superficie, estos flujos son muy variables existiendo cambios de dirección durante el día y la noche. Además no se contaba con un plan de aforos ni con instrumentos de medición necesarios para realizarlos. Surge entonces la necesidad de rediseñar el sistema de ventilación, con el soporte del software VENTSIM™ Visual Avanzado, el cual ha sido de gran beneficio ya que gracias a esta herramienta se ha podido planificar y mejorar los circuitos de ventilación actual y proyectados. Para este fin, se ajustaron los datos de campo con los datos generados por el software y sobre la base de este modelo se comenzó a diseñar y simular diversos escenarios.

II

ABSTRACT

NICARAGUA SA Mining Company HEMCO (HEMCO) since 2009 is implementing modifications and changes in their management, looking for how to improve their productivity, to reduce their cost operation and work with high safety standards. As part of their strategic plan and aim of gradually increasing their mine production from 470 TPD to 1,300 TPD, they decided to start with preparation tasks and exploitation at "Pluto", "Venus" and "Neblina" veins. Also, developing Martha 850 cruise where they expect to get all mineral with diesel equipment, currently they use locomotives with battery. The mine has a natural ventilation system with recirculating air, it is ranging from higher levels (not defined ventilation) mainly because there are a lot of chimney to surface, these flows are really variables and makes the air direction is changing between day and night. Also, there is not a plan of measuring points and no instruments needed to achieve them. Therefore, there is a necessity to redesign their ventilation system, with the support of VENTSIM™ Visual Advanced software, which has been a great benefit and through to this program is able to plan and

improve the current and futures

ventilation circuits. For this purpose field data were adjusted with the data generated from software and on the basis of this model began to design and simulate many scenarios.

II

INDICE

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 HISTORIA DE LA VENTILACIÓN ................................................................................ 3 CAPITULO I : GENERALIDADES 1.1.

Ubicación y acceso ..................................................................................... 9

1.2.

Clima y topografía ........................................................................................ 11

1.3.

El problema .............................................................................................. 12

1.3.1.

Definición del problema .................................................................... 12

1.3.2.

Identificación y selección del problema ............................................. 13

1.3.3.

Planteamiento y formulación del problema: ......................................... 13

1.4.

Objetivos ...................................................................................................... 14

1.4.1.

Objetivo general ....................................................................................... 14

1.4.2.

Objetivos específicos............................................................................ 14

1.5.

Justificación e importancia de la investigación ............................................ 15

1.6.

Planificación ............................................................................................. 15

1.7.

Metodología de trabajo ............................................................................. 16

CAPITULO II : MÉTODOS Y CÁLCULOS DE VENTILACIÓN EN MINAS Y TÚNELES 2.1.

Ventilación natural .................................................................................... 18

2.2.

Ventilación mecánica ................................................................................ 20

2.3.

Ventilación auxiliar ............................................................................................21

2.3.1.

Elementos de una instalación auxiliar..................................................... 21

2.3.2.

Tipos de sistemas de ventilación .......................................................... 22

2.4.

Pérdidas de carga..................................................................................... 25

2.4.1.

Pérdidas por fricción ......................................................................... 25

2.4.2.

Perdidas por choque......................................................................... 26

2.4.3.

Pérdidas por presión dinámica.......................................................... 27

2.4.4.

Factor de fugas en un manga............................................................ 28

2.5.

Ventiladores eléctricos .............................................................................. 28

2.5.1.

Clasificación de los ventiladores .......................................................... 29

2.5.2.

Comparativa de ventilador axial frente a centrífugo ........................... 32

2.5.3.

Tipos de configuraciones de un ventilador ........................................... 33

2.5.4.

Componentes de un ventilador axial....................................................... 34

II 2.5.5.

Curva característica del ventilador ....................................................... 36

2.5.6.

Fenómeno de Bombeo ............................................................................ 39

2.5.7.

Potencia Instalada ............................................................................ 40

CAPITULO III : LEVANTAMIENTO DE VENTILACION 3.1.

Método de medición.................................................................................. 42

3.2.

Metodología del trabajo de campo ............................................................ 43

3.3.

Equipos de medición .................................................................................... 44

3.4.

Estaciones principales ................................................................................. 45

3.5.

Estaciones secundarias ............................................................................... 46

3.6.

Análisis de velocidad de aire por niveles ....................................................... 46

3.6.1.

Datos de Velocidad de Aire Nv 850 ...................................................... 47

3.6.2.

Datos de Velocidad de Aire Nv 960 ...................................................... 47

3.6.3.

Datos de Velocidad de Aire Nv 1100 .................................................... 48

3.6.4.

Datos de Velocidad de Aire Nv 1300 .................................................... 48

CAPITULO IV : VENTILADORES 4.1.

Inventario de ventiladores ............................................................................... 49

4.2.

Balance de energía ................................................................................... 50

4.3.

Curvas características de los ventiladores..................................................... 51

CAPITULO V : VALORACION DE REQUERIMIENTOS SEGÚN NORMAS 5.1.

Marco legal................................................................................................... 53

5.2.

Cálculo de caudal global requerido - actual .................................................. 55

5.2.1.

Requerimiento para Personal ................................................................. 55

5.2.2.

Requerimiento para Equipos Diésel ....................................................... 55

5.2.3.

Requerimiento para Dilución de Gases (explosivos) ........................... 56

5.2.4.

Requerimiento global de aire actual ....................................................... 57

5.2.5.

Balance de ventilación actual .................................................................. 58

5.3.

Cálculo de caudal global requerido - proyectado ....................................... 59

5.3.1.

Requerimiento para Personal ................................................................. 59

5.3.2.

Requerimiento para Equipos Diésel ....................................................... 59

5.3.3.

Requerimiento para Dilución de Gases (explosivos) ........................... 60

5.3.4.

Requerimiento global de aire proyectado .......................................... 60

5.3.5.

Balance de ventilación proyectado .................................................... 61

5.4.

Cálculo de caudal requerido - frente de desarrollo...................................... 62

5.4.1.

Requerimiento para Personal ................................................................. 62

II 5.4.2.

Requerimiento para Equipos Diésel ....................................................... 62

5.4.3.

Requerimiento para Dilución de Gases (explosivos) ........................... 62

5.4.4.

Requerimiento de aire - Frente de desarrollo ....................................... 63

CAPITULO VI : MODELAMIENTO EN EL SOFTWARE VENTSIM 6.1.

Modelación del sistema actual ....................................................................... 64

6.2.

Recopilación de información digital ............................................................ 65

6.3.

Estudio geométrico ................................................................................... 65

6.4.

Planos de referencia .................................................................................... 68

6.5.

Calibración ............................................................................................... 68

CAPITULO VII : SIMULACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL 7.1.

Parámetros actuales de operación .............................................................. 70

7.2.

Configuración de parámetros - VENTSIM™ .............................................. 71

7.3.

Aplicación del software VENTSIM™ ......................................................... 72

7.4.

Simulación del modelo actual ......................................................................... 74

7.5.

Distribución de energía ............................................................................. 75

7.6.

Curva característica de ventiladores operativos ............................................ 75

CAPITULO VIII : DISEÑO DEL NUEVO SISTEMA DE VENTILACION 8.1.

Ventilador principal zona mecanizada ....................................................... 78

8.1.1.

Ubicación de la chimenea de ventilación ............................................. 78

8.1.2.

Selección del tamaño óptimo de la chimenea...................................... 80

8.1.3.

Selección del ventilador principal ...................................................... 85

8.1.4.

Curva característica del ventilador principal Zona Mecanizada .......... 87

8.2.

Ventilador principal zona convencional........................................................ 87

8.3.

Selección del ventilador auxiliar ..................................................................... 89

8.3.1.

Cálculo del caudal ................................................................................ 89

8.3.2.

Cálculo de presión ............................................................................ 89

8.4.

Simulación diseño final ....................................................................................91

8.5.

Resumen del sistema de ventilación proyectado ....................................... 92

CAPITULO IX : ANÁLISIS DE COSTOS DEL NUEVO SISTEMA DE VENTILACION 9.1.

Costo de capital ........................................................................................ 94

9.1.1.

Costo de infraestructura mina ............................................................ 94

9.1.2.

Costo de equipos y materiales.............................................................. 95

9.2.

Costo de operación.......................................................................................... 98

9.2.1.

Costo de energía actual .......................................................................... 98

II 9.2.2.

Costo de energía proyectada ............................................................ 99

9.2.3.

Comparación de energía actual vs proyectada ................................. 99

CAPITULO X : EVALUACIÓN ECONÓMICA GLOBAL 10.1. Plan de producción .................................................................................... 101 10.2. Ingreso proyectado ................................................................................. 101 10.3. Costo de desarrollos .................................................................................. 102 10.4. Inversión de equipos mina .................................................................... 102 10.5. Costo de capital (CAPEX) ......................................................................... 103 10.6. Costo de operación (OPEX) ...................................................................... 103 10.7. Flujo de caja del proyecto ......................................................................... 104 10.8. Periodo de recuperación (PAYBACK) ....................................................... 106 10.9. Ley de corte (CUT OFF) ............................................................................ 107 10.10. Resumen .................................................................................................... 107 CAPITULO XI : IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO PROPUESTO 11.1. Resumen de actividades antes y después de la puesta en marcha ......... 108 11.2. Valores obtenidos en campo ..................................................................... 110 11.3. Comparación de valores obtenidos en campo vs simulados .................... 111 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 114 RECOMENDACIONES ............................................................................................ 116 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 118

IX

FIGURAS

Figura 1.1 Ubicación de la mina HEMCO - Nicaragua. ............................................. 10 Figura 2.1 Ventilación Natural .................................................................................... 19 Figura 2.2 Curva característica de PVN ................................................................. 20 Figura 2.3 Ventilador soplante. .................................................................................. 22 Figura 2.4 Zona muerta. ............................................................................................. 23 Figura 2.5 Ventilación aspirante. ................................................................................... 23 Figura 2.6 Ventilación soplante con apoyo aspirante.............................................. 24 Figura 2.7 Ventilación aspirante con apoyo soplante.............................................. 25 Figura 2.8 Ventiladores Centrífugos........................................................................... 30 Figura 2.9 Tipos de Alabes .................................................................................... 30 Figura 2.10 Ventilador de Hélice ............................................................................ 31 Figura 2.11 Ventilador Axial........................................................................................... 31 Figura 2.12 Ventilador Axial Extractor........................................................................ 33 Figura 2.13 Ventilador de 1 y 2 Etapas...................................................................... 34 Figura 2.14 Partes de un ventilador axial bietápico. ............................................... 35 Figura 2.15 Curva característica del ventilador ......................................................... 36 Figura 2.16 Curva de dos ventiladores en serie. ......................................................... 37 Figura 2.17 Curva de dos ventiladores en paralelo. .................................................... 38 Figura 2.18 Ventilador sobredimensionado y subdimensionado ............................. 39 Figura 3.1 “Method of equal areas” ............................................................................... 43 Figura 3.2 Instrumentos de medición de flujo de aire.................................................. 44 Figura 3.3 Distribución de Velocidades Global .......................................................... 46 Figura 3.4 Distribución de Velocidades Nv 850 ...................................................... 47 Figura 3.5 Distribución de Velocidades Nv 960. ........................................................ 47 Figura 3.6 Distribución de Velocidades Nv 1100 ....................................................... 48 Figura 3.7 Distribución de Velocidades Nv 1300 ....................................................... 48 Figura 4.1 Toma de datos eléctricos de los ventiladores .......................................... 50 Figura 4.2 Curva Característica del Ventilador VAMH-05........................................... 52 Figura 5.1 Distribución de requerimiento de aire - Actual.......................................... 57 Figura 5.2 Balance global de aire - Actual .............................................................. 58 Figura 5.3 Balance global de aire - Proyectado. ........................................................ 61 Figura 6.1 Importación de data topográfica a VENTSIM™. ....................................... 66

IX

Figura 6.2 Modelo 3D en PROMINE™. ..................................................................... 66 Figura 6.3 Modelo de ejes en VENTSIM™ ................................................................ 67 Figura 6.4 Modelo de sólidos en VENTSIM™ ........................................................ 67 Figura 6.5 Plano 3D en AUTOCAD™ ........................................................................... 68 Figura 6.6 Modelo 3D de la mina HEMCO en VENTSIM™ ..................................... 69 Figura 7.1 Resumen del Sistema Actual ................................................................. 74 Figura 7.2 Distribución de energía - Etapa Actual ........................................................ 75 Figura 7.3 Ventilador VAMH-05 de 40,000 cfm en VENTSIM™ (Nv 850) ............... 76 Figura 7.4 Ventilador VAMH-04 de 10,000 cfm en VENTSIM™ (Nv 1300) ............. 77 Figura 8.1 Vista de Planta - Proyecto chimenea propuesta. ...................................... 79 Figura 8.2 Vista 3D - Proyecto chimenea propuesta. ................................................. 80 Figura 8.3 Dimensión óptima del conducto de ventilación ......................................... 81 Figura 8.4 Curva de Costos vs Sección de CH ............................................................ 83 Figura 8.5 Simulacion Financiera. .............................................................................. 84 Figura 8.6 Curva de Costos vs Sección de CH en VENTSIM™ ................................ 85 Figura 8.7 Curva Característica del Ventilador de 120,000 cfm proyectado. ............ 86 Figura 8.8 Ventilador Principal de 120,000 cfm en VENTSIM™ ............................... 87 Figura 8.9 Diseño Veta Neblina - Zona Convencional ............................................... 88 Figura 8.10 Ventilador Principal VAMH-05 de 40,000 cfm en VENTSIM™ ............... 88 Figura 8.11 Consumo de energía vs diámetro de manga........................................ 90 Figura 8.12 Resumen del sistema de ventilación proyectado. ................................... 91 Figura 8.13 Diseño Final Mina HEMCO - Vista de Planta. ......................................... 93 Figura 10.1 Periodo de recuperación ....................................................................... 106 Figura 11.1 Acople del codo con el ventilador.......................................................... 109 Figura 11.2 Puesta en operación del ventilador de 120,000 cfm .............................. 110 Figura 11.3 Simulación del ventilador 120,000 cfm - Sección de 2.4m x 2.4m ....... 111 Figura 11.4 Presión Total del ventilador de 120,000 cfm .......................................... 112 Figura 11.5 Simulación del ventilador 120,000 cfm - Sección de 2.0m x 2.0m ....... 113

IX

TABLAS

Tabla 1.1 Clasificación de suelos............................................................................... 11 Tabla 3.1 Medición de Caudales de Ingreso. ............................................................ 45 Tabla 3.2 Medición de Caudales de Salida. ................................................................. 45 Tabla 3.3 Distribución de Estaciones Global ............................................................. 46 Tabla 3.4 Distribución de Estaciones Nv 850............................................................... 47 Tabla 3.5 Distribución de Estaciones Nv 960............................................................... 47 Tabla 3.6 Distribución de Estaciones Nv 1100............................................................. 48 Tabla 3.7 Distribución de Estaciones Nv 1300............................................................. 48 Tabla 4.1 Inventario de ventiladores .......................................................................... 50 Tabla 4.2 Potencia de campo de los ventiladores ..................................................... 51 Tabla 5.1 Requerimiento de caudal de aire para personal........................................ 55 Tabla 5.2 Requerimiento de caudal de aire para equipos diésel............................. 55 Tabla 5.3 Aplicando Norma Peruana ..................................................................... 57 Tabla 5.4 Aplicando Norma Chilena. ......................................................................... 57 Tabla 5.5 Escenarios para el requerimiento global de aire - Actual ........................ 57 Tabla 5.6 Balance global de ventilación - Actual..................................................... 58 Tabla 5.7 Requerimiento de caudal de aire para personal........................................ 59 Tabla 5.8 Requerimiento de caudal de aire para equipos diésel ............................ 59 Tabla 5.9 Aplicando Norma Peruana ..................................................................... 60 Tabla 5.10 Aplicando Norma Chilena. ....................................................................... 60 Tabla 5.11 Escenarios para el requerimiento global de aire - Proyectado................ 60 Tabla 5.12 Balance de ventilación - Proyectado ..................................................... 61 Tabla 5.13 Requerimiento de aire para personal ...................................................... 62 Tabla 5.14 Requerimiento de aire para equipos diésel ............................................. 62 Tabla 5.15 Aplicando Norma Peruana. ...................................................................... 63 Tabla 5.16 Aplicando Norma Chilena. ....................................................................... 63 Tabla 5.17 Requerimiento de aire en frente de desarrollo. ....................................... 63 Tabla 7.1 Variación calibración - Ingreso de aire fresco. ............................................ 73 Tabla 7.2 Variación calibración - Salida de aire viciado. ........................................... 73 Tabla 7.3 Resumen ventiladores auxiliares .................................................................. 76 Tabla 8.1 Costo de Capital vs Sección de CH ........................................................ 81 Tabla 8.2 Costo de Operación vs Sección de CH................................................... 82

IX

Tabla 8.3 Costo Total Anual vs Sección de CH....................................................... 83 Tabla 8.4 Parámetros ventilador principal de 120,000 cfm proyectado. .................... 85 Tabla 8.5 Consumo de energía vs diámetro de manga........................................... 90 Tabla 8.6 Parámetros ventilador auxiliar de 30,000 cfm proyectado. ........................ 91 Tabla 8.7 Balance global de ventilación Proyectado. ................................................. 92 Tabla 9.1 Costo de labores proyectadas .................................................................... 94 Tabla 9.2 Costo de ventiladores y accesorios ............................................................ 95 Tabla 9.3 Costo de mangas y accesorios de ventilación............................................ 96 Tabla 9.4 Costo de obras civiles .................................................................................... 96 Tabla 9.5 Costo de instrumentos de ventilación ......................................................... 97 Tabla 9.6 Costo de Capital de Ventilación .................................................................. 97 Tabla 9.7 Costo de energía de ventiladores ............................................................... 98 Tabla 9.8 Costo de energía de compresores de aire. .................................................. 98 Tabla 9.9 Costo de energía de ventiladores proyectados .......................................... 99 Tabla 9.10 Comparación de costo de energía Actual vs Proyectada......................... 99 Tabla 10.1 Producción proyectada anual .................................................................... 101 Tabla 10.2 Ingreso proyectado anual ....................................................................101 Tabla 10.3 Costo de desarrollo y preparación proyectado. ...................................... 102 Tabla 10.4 Maquinaria propuesta para el sistema mecanizado. .............................. 102 Tabla 10.5 Costo de Capital ......................................................................................... 103 Tabla 10.6 Costos de Operación .............................................................................. 103 Tabla 10.7 Flujo de caja. .............................................................................................. 104 Tabla 10.8 Balance de ingresos y egresos del proyecto. ........................................... 105 Tabla 10.9 Indicadores económicos ......................................................................... 105 Tabla 10.10 Periodo de recuperación.......................................................................... 106 Tabla 10.11 Cálculo de Cut Off ..............................................................................107 Tabla 11.1 Tabla comparativa campo vs simulación ................................................ 112

1

INTRODUCCIÓN

A medida que las minas se hacen más profundas y más calientes, con más equipos operados con motor diésel, los sistemas de ventilación necesitan un cuidadoso diseño, por ello la importancia de diseñar redes de ventilación que suministren suficiente cantidad de aire fresco, proporcionando un ambiente de trabajo aceptable tanto para el personal, para el rendimiento eficiente de los motores diésel, así como para eliminar el calor y los gases producidos por los equipos. Además los sistemas de ventilación deben ser diseñados para eliminar los gases tóxicos de las voladuras con rapidez y eficacia. La ventilación puede absorber aproximadamente hasta el 30 % de la demanda total de energía, otros expertos consideran que la cifra es aún mayor. Es fácil de ver, entonces, que al continuar aumentando los costos de energía, existe un interés cada vez mayor en la posibilidad de diseñar sistemas de ventilación a la medida para lograr un rendimiento óptimo al menor costo posible. Como resultado, los sistemas de ventilación son cada vez más complejos, con capacidad para diseñar y modificar las redes, teniendo en cuenta factores externos como incendios o restricciones repentinas del flujo de aire.

2

Normalmente, en el pasado mediato, el diseño del sistema de ventilación de una mina se efectuaba en base a criterios empíricos, prácticos hasta cierto punto, pero costosos. Hoy, la mayoría de los problemas de ventilación son solucionados con el soporte de programas informáticos, usando criterios más científicos. El presente estudio tiene por finalidad comprobar la aplicación de la informática en el diseño, control y optimización de una red de ventilación, asegurando el cumplimiento de los estándares y normas legales establecidos en el estado de Nicaragua, validado con las normas de seguridad y salud ocupacional del estado Peruano “Decreto Supremo Nº 055-2010-EM” y del estado Chileno “Decreto Supremo N° 072”, con el objetivo de satisfacer las necesidades de la operación actual y gradualmente se adecuen al sistema de minado por Trackless (equipos LHD). El software VENTSIM™ Visual Avanzado puede ser utilizado como una herramienta de planificación y como un medio para verificar los parámetros ambientales durante la operación de la mina; nos permite analizar los circuitos de ventilación, con una interface gráfica que permite visualizar la mina, en un diagrama unifilar y en sólido 3D, con movimiento de flujos de aire. Una vez modelada la red de ventilación, el programa requiere datos físicos de la mina (caracterización): sección, longitud, aspereza de las paredes (rugosidad), etc; creando finalmente modelos representativos, analizando diferentes alternativas de mejora, diseñando un sistema flexible, seguro y económico, evitando de este modo gastos innecesarios en la ejecución de chimeneas de diámetros inadecuados; así como en la selección de los ventiladores óptimos.

3

HISTORIA DE LA VENTILACIÓN

En el pasado, la minería se daba cerca de la superficie donde estaban disponibles la luz y la ventilación natural. Las fogatas eran utilizadas para introducir el aire fresco dentro de la mina. En las minas de plata de Laurium en Grecia y en minas del Imperio Romano se han encontrado evidencias de la existencia de circuitos de ventilación que datan del 602 A.C. El primer libro de texto de minería fue escrito en latín por Georgius Agrícola, (latinización de Georg Pawer), fue un alquimista, químico y mineralogista alemán, considerado el fundador de la mineralogía moderna. Desarrolló los principios de la metalurgia y de la minería, con escritos sobre temas médicos, químicos, matemáticos e históricos. Su obra más importante es “De Re Metallica”, que se editó en latín en el año 1556. Las primeras minas fueron diseñadas con entradas duales; una mediante el cual, el aire limpio del exterior fluyera hacia el interior y otra donde se expulsara éste aire viciado. Incluso algunas fueron asistidas por hornos subterráneos, que utilizaron el principio práctico de la corriente aérea ascendente derivada de un fuego que origina una succión del aire de la mina y éste era substituido por el aire exterior, este método era especialmente peligroso debido a los gases que se acumulaban dentro de la mina.

4

Ventilación con fuelles - Agrícola, 1556. (Fuente: De Re Metallica” - 1556.)

En otra época los canarios solían haber sido utilizados para detectar el gas en minas. Ave extremadamente sensible al medio ambiente y si esté fallecía, los mineros saldrían inmediatamente de la mina. Sin embargo antes de 1870, los encargados y las personas calificadas utilizaban rústicas lámparas

de

seguridad para detectar el gas, este método pronto fue remplazado por las lámparas de petróleo lo que les permitía a los trabajadores iluminar el área de extracción. Pronto, los ventiladores fueron utilizados para extraer los gases contenidos en los lugares de trabajo y transportado a través de circuitos de ventilación al exterior. Las puertas o reguladores fueron colocadas estratégicamente para dirigir el flujo del aire a o desde áreas seleccionadas, sin embargo al ubicar estos reguladores en labores principales éstas se abrían para permitir el paso

5

del mineral, de los materiales y de los hombres, como consecuencia las “corrientes del aire” fueron cortadas con frecuencia. En los años 20 los ventiladores antiguos fueron sustituidos por ventiladores pequeños eléctricos de turbina. Los ventiladores del tipo succión fueron colocados en la superficie y aumentados gradualmente de tamaño con el paso del tiempo. El aire de los compresores superficiales fue transportado mediante tuberías a la mina ayudando en el proceso de ventilación. En vista de que las minas se hacen más profundas y los requisitos de la ventilación se vuelven más complejos, los especialistas de minas tendrán que adaptar sus sistemas para satisfacer estas nuevas demandas. Una solución sencilla consiste en aumentar la capacidad de los ventiladores principales. Sin embargo, esto aumenta el consumo energético y podría no abordar los problemas locales relacionados con la calidad del aire donde hay

motores

diésel en uso. También puede darse el caso de que el aumento de velocidad en las labores se vuelva inaceptable. La alternativa es utilizar mejor los flujos de aire existentes, que es cuando el software de modelación y simulación revela su verdadero potencial. Estos sistemas no sólo modelan flujos de aire, sino también los efectos del calor, el polvo y otros contaminantes. La ventilación no es algo que se pueda dar por sentado, no existen fórmulas mágicas. Las necesidades de la ventilación deben ser

entendidas,

con

sistemas diseñados para manejar todos los desafíos que demanda una mina moderna.

6

El correcto diseño del sistema de ventilación dentro de una mina subterránea es de vital importancia para asegurar la supervivencia de los trabajadores así como el correcto funcionamiento de los equipos de trabajo. Dentro de las minas se pueden encontrar diversos gases, producidos por la extracción del mineral y entre los más importantes encontramos:  Oxígeno (O2): No tiene color, sabor u olor, sus efectos: al 21% porcentaje ideal, al 15% la respiración comienza a ser difícil, al 10% se considera muy perjudicial para la salud.  Dióxido de Carbono (CO2): Es el resultado final de la combustión completa del carbono. Es un gas asfixiante, incoloro, es soluble en el agua, presenta sabor y olor (en altas concentraciones), ligeramente ácido, es incombustible y pesa más que el aire. Para su detección se usa la lámpara de seguridad, detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Se forma en grandes cantidades en los incendios de mina y en las explosiones de grisú y polvo de carbón. Se tiende a acumular en los lugares bajos de las labores.

Sus

efectos al 3% son dificultad para respirar y al 10% puede causar la muerte.  Monóxido de Carbono (CO): Es el resultado de la combustión incompleta del carbono. Es

altamente

toxico, incoloro, inodoro, insípido y es combustible. Se identifica con detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Suele aparecer por rozamientos, calentamientos, explosiones o cualquier proceso en el que falte el oxígeno.

7

Rara vez se presenta en solitario ya que suele venir acompañado de otros gases. Su efecto al 0.05% es riesgoso para quien lo respira.  Sulfato de Hidrogeno (SH2): Se origina en la descomposición de pirita y sustancias que

contengan

azufre. Es un gas muy toxico, provoca irritaciones en las mucosas de los ojos y conductos respiratorios, inflamación del aparato respiratorio, edema pulmonar y parálisis respiratoria irreversible. Es incoloro, tiene un sabor azucarado y un olor a huevo podrido, pesa más que el aire y por encima de una concentración del 4 % es explosiva. Sus efectos al 15% son fatales para la vida. Se identifica con detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos.  Dióxido de azufre (SO2). Se produce por la combustión de compuestos de azufre. Es tóxico, puede producir edemas pulmonares muy graves y quemaduras en ojos y piel. Es un gas incoloro con un olor picante y a -10º C es líquido. Se detecta por medio de tubos colorimétricos. Es el causante de la llamada "lluvia ácida".  Hidrógeno (H2): En la minería aparece en estado libre, también lo encontramos en la descomposición del ácido sulfúrico en las salas de baterías, si se apaga con agua el carbón incandescente se puede formar hidrógeno. Al reaccionar con el oxígeno es explosivo en algunas ocasiones, siendo la concentración más peligrosa la compuesta por 71 % de aire y 28 % de hidrógeno, siendo en este caso más inflamable que el grisú. Es también un gas asfixiante,

8

incoloro, inodoro, insípido y más ligero que el aire. Los toxímetros y los tubos colorimétricos se usan para detectarlo.  Óxidos Nitrosos (NO+NO2). Son gases que raramente se presentan separados, habituales en las voladuras. Son tóxicos y pueden llegar a producir la muerte por edema pulmonar. Son de color pardo rojizo (en elevadas concentraciones) y de olor acre. Los tubos colorimétricos son los usados para detectarlos. Hay que poner especial cuidado en disolverlos después de la voladura.  Grisú (CH4). Es una mezcla de metano y aire con algún gas, 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 y mayores al 15 % es asfixiante. Es un gas incoloro, inodoro,

insípido,

altamente combustible ardiendo con llama azulada y más ligero que el aire. La lámpara de gasolina (de seguridad) y los grisúmetros o metanómetros son los usados para detectarlo. También conocido como gas de pantano, 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, chispa eléctrica, etc.

9

CAPITULO I GENERALIDADES

1.1.

Ubicación y acceso La unidad minera HEMCO, se ubica en la hoja cartográfica N° 3858-2, en el municipio de Bonanza, Región Autónoma del Atlántico Norte (RAAN), estado de Nicaragua. Sus coordenadas geográficas son:  14°01'00” Latitud Norte.  84°35'00” Latitud Oeste.  Altura media: 265 msnm. Geográficamente se ubica en el flanco Nor Oriental a 415 Km de Managua. Existen dos vías de acceso hacia la unidad: 1° Carretera afirmada, pasando por las municipalidades de

Boaco,

Rio

Blanco, Mulukuku y Siuna, toma 14 horas en camioneta y 20 horas en bus debido al mal estado de la carretera y lo agreste de su relieve. 2° La zona también es accesible por vía aérea, conforme

el

siguiente

itinerario: Aeropuerto Internacional Augusto C. Sandini - Aeropuerto de Bonanza, Tiempo de vuelo: una hora.

10

Figura 1.1 Ubicación de la mina HEMCO - Nicaragua. (Fuente: Wikipedia)

11

1.2.

Clima y topografía Presenta un clima tropical húmedo; la temperatura promedio anual es de 25° C, con un alto nivel de pluviosidad: 3,500 mm anual. Las cantidades máximas de precipitación se registran en los meses de julio y agosto; las mínimas entre marzo y abril. La topografía está compuesta por colinas de mediana elevación, presentando un relieve muy irregular con elevaciones de 300 msnm, siendo el promedio de 265 msnm. Hemco está situada sobre rocas volcánicas del terciario. Parte de los 7,300 km² que comprende la Reserva Forestal de Bosawás se ubica en este municipio. La mayor parte de los suelos del municipio de Bonanza son ácidos, presentan fundamentalmente una vocación forestal y sólo una pequeña región produce granos para auto consumo y un excedente muy bajo para comercialización. Son suelos aptos para el desarrollo de grandes bosques de madera preciosa, semipreciosa y madera dura para la construcción. Al Este y Noreste del municipio, los suelos permiten que se desarrollen actividades agrícolas y ganaderas. Conforme a esta característica se han podido clasificar los suelos en tres grandes categorías:

Tabla 1.1 Clasificación de suelos (Fuente: Estudio Edafológico Centro Humboldt 1998.)

12

1.3.

1.3.1.

El problema

Definición del problema: Actualmente la mina presenta un sistema de ventilación a tiro natural, con recirculaciones de aire, que oscilan entre los niveles superiores (ventilación no definida) principalmente por la gran

cantidad de chimeneas que

comunican a superficie, estos flujos son muy variables existiendo cambios de dirección durante el día y la noche, ello se debe fundamentalmente por los cambios de temperatura que expanden el volumen de aire. De las estaciones de ventilación monitoreadas, el 69 % presentan velocidades debajo de 25 m/min, además presentan valores de humedad muy altas, en promedio están en 90% e incluso algunas llegan a 99%; ello debido a la presencia de drenajes de agua, que bajan de los niveles superiores (desde superficie debido a las intensas lluvias) acumulándose en el Nv. 850, donde se observa aniegos y desborde de agua que invaden los tendidos de líneas de Cauville. Es por ello la urgencia de realizar un estudio integral y poner a punto su sistema de ventilación, que conlleve a la implementación y aseguramiento de los requerimientos básicos de aire fresco para el óptimo desarrollo de los procesos de exploración, desarrollo, preparación y explotación; cumpliendo con las normas de ventilación Nicaragüense estandarizada con la norma Peruana y Chilena.

13

1.3.2.

Identificación y selección del problema: De lo expresado en el ítem anterior se desprenden los problemas que intenta resolver la presente investigación: a) Calcular el volumen de aire fresco requerido para la operación actual y proyectada. b) Modelar el circuito de ventilación actual con el soporte del software VENTSIM™ Visual Avanzado. c) Simular el nuevo diseño del sistema de ventilación, que le permitan desarrollar las labores operativas tanto en la zona mecanizada, como en la zona convencional. d) Seleccionar el diámetro óptimo y la ubicación de la chimenea principal de ventilación. e) Selección del ventilador principal y los auxiliares, los cuales cumplan con los parámetros calculados en el sistema de ventilación (presión y caudal).

1.3.3.

Planteamiento y formulación del problema: El planteamiento del problema está dado y como pregunta nos hacemos: a) ¿Qué alternativas de solución se podría implementar para mejorar el sistema de ventilación? b) ¿Con los datos obtenidos de presión y caudal se podrá seleccionar el ventilador y conocer la potencia requerida en obra, necesaria para poder suministrar este caudal en los frentes del trabajo? c) ¿De qué manera, la optimización del sistema de ventilación posibilitará a futuro una mejora en la calidad de vida de los trabajadores?

14

1.4.

1.4.1.

Objetivos.

Objetivo general: Realizar una evaluación integral de la mina HEMCO,

que conlleve al

modelamiento del nuevo diseño del sistema de ventilación, mediante el soporte del software VENTSIM™, y permita mecanizar el sistema de extracción mediante el empleo de equipos diésel, sin que estos comprometan los niveles superiores de explotación. Revisar también los parámetros de minado, estandarizando las condiciones actuales y proyectadas, cumpliendo con las normas vigentes del estado de Nicaragua validado con las normas Peruana y Chilena.

1.4.2.

Objetivos específicos: a) Calcular el caudal de aire necesario para las operaciones actual y

proyectado, así como en la labores de desarrollo mecanizados. b) Mediciones de campo para la caracterización experimental del modelo. c) Conocer el caudal y presión del ventilador principal y los ventiladores

auxiliares proyectados, según las condiciones operativas del sistema. d) Seleccionar un diámetro apropiado y cantidad de líneas de magas, el

cual no eleve el costo de diseño, ni el consumo de energía de los ventiladores. e) Simular el nuevo diseño del sistema de ventilación, con el soporte del

software VENTSIM™ Visual Avanzado.

15

1.5.

Justificación e importancia de la investigación El presente trabajo de investigación se justifica, porque servirá para el mejoramiento del sistema de ventilación de la unidad minera Hemco, tomando decisiones respecto al control y diseño de los circuitos y alternativas de solución, realizando una óptima ingeniería de ventilación, la cual funcione eficientemente evitando costos de reingenierías. Este estudio propone un diseño flexible con el fin de administrar eficientemente los recursos actuales y proyectados, dando a conocer criterios, pautas para su selección y conocimientos sobre sus principios de funcionamiento. Así mismo reflejándose en el mejor desempeño de los trabajadores en sus tareas

y

labores

encomendadas,

minimizando

las

enfermedades

ocupacionales, obteniendo mejores resultados de efectividad y productividad.

1.6.

Planificación Las actividades se programaron para ser ejecutadas en mina, iniciándose en una primera etapa del 26 de febrero al 08 de Marzo y en una segunda etapa del 26 de Marzo al 22 de Junio del 2014. Procesando toda la data de campo, listado de los equipos diésel, personal, consumo de explosivos, inventario de ventiladores, balance y actual.

cobertura

16

1.7.

Metodología de trabajo Se detalla las técnicas y herramientas usadas en el proceso de investigación: 1. Formación de brigada de trabajo: día, tarde y noche; disponibilidad de

instrumentos de medición (Termo-anemómetro, barómetro, distanciómetro, detector multigases O2, CO y NO). 2. Levantamiento de estaciones principales: Ingresos y salidas del aire, en los

portales principales (Aforo). 3. Monitoreo de las estaciones secundarias en cada nivel. Se realizaron

mediciones de sección de la labor, dirección y velocidad del aire, temperatura, humedad relativa y presión barométrica. 4. Finalmente en gabinete, se calcularon los caudales que discurre en cada

estación, a los formatos de control base, para luego procesar a los planos de ventilación en 2D. 5. Caracterización de los ventiladores operativos, según el caudal, presión y

energía consumida (valores medidos en campo) y exportados a la base de datos del modelo en VENTSIM™. 6. Se asignó un factor de fricción según la rugosidad de las paredes,

así

mismo la asignación de pérdidas por choque según la geometría de cada labor. 7. Ubicación de puertas, tapones, reguladores, orificios y toda condición que

cause resistencia al paso de aire. 8.

Con esta data se procedió a modelar y calibrar el circuito integral de ventilación en el software VENTSIN™, donde se analizaron las alternativas de mejora.

9.

Análisis de inversión para la implantación del diseño final de ventilación.

17

CAPITULO II MÉTODOS Y CÁLCULOS DE VENTILACIÓN EN MINAS Y TÚNELES

La materia prima de la ventilación es el aire; ésta es una mezcla de gases que conforman la atmosfera terrestre, “aire seco”. Sin embargo el aire siempre viene acompañado de vapor de agua. Desde el punto de vista termodinámico el aire es una mezcla de aire seco y vapor de agua en proporciones variables, dependiendo de la temperatura y presión barométrica. La composición química del aire seco al nivel del mar es:

Composición química del aire seco a nivel del mar Gas Nitrógeno

% en volumen 78.084

% en peso 75.55

Oxígeno

20.946

23.13

Argón

0.934

1.27

Dióxido de carbono

0.033

0.05

Otros gases

0.003

-

Los cambios termodinámicos afectan el contenido de vapor de agua al condensarse o evaporarse. El término aire seco es hipotético, pues no existe en la atmósfera.

18

2.1.

Ventilación natural Es el flujo natural de aire que ingresa al interior de una labor sin necesidad de alguna fuerza mecánica externa. Para que se dé este movimiento tiene que existir una diferencia de altura entre las bocaminas de entrada y salida. En realidad, más importante que la profundidad de la mina es el intercambio termodinámico que se produce entre la superficie y el interior. La energía térmica agregada al sistema se transforma a energía de presión, susceptible de producir un flujo de aire. Por tanto, la ventilación natural “PVN" se debe a la diferencia del peso específico del aire entrante y saliente. Esto proviene principalmente de la diferencia de temperatura, en menor grado la diferencia de presión, y todavía tiene menor influencia la variación de humedad y su composición. El calentamiento progresivo del aire origina que ésta circule a través de las labores subterráneas. El fenómeno es análogo al que se produce en una chimenea donde el aire caliente desplaza al aire frío que se encuentra por encima de ésta. La temperatura en el exterior puede variar hasta 35°C entre el verano y el invierno, mientras que la temperatura en el interior de la mina permanece más o menos constante, excepto en las cercanías de las conexiones a superficie. Esto hace que la PVN varíe de acuerdo con las fluctuaciones estacionales de la temperatura en la superficie. Por ejemplo, en una mina ubicada en relieve montañoso, que se explota por secciones, en invierno, la columna de aire interior en la chimenea (AB) se calienta debido al calor de las rocas, y se hace más liviana que la columna de aire frío (CD) de la entrada del socavón; se producirá un tiro natural en el sentido CBA.

19

Figura 2.1 Ventilación Natural. (Fuente: Elaboración propia.)

Por el contrario, en verano, el sentido de la corriente es inverso. En primavera y otoño, las temperaturas del aire exterior se igualan con la temperatura del aire interior, y la ventilación natural no se produce. En verano, en regiones tropicales, el sentido de la corriente de aire puede cambiar del día a la noche. Si la mina está ubicada en un relieve horizontal, la ventilación natural no existe o es muy débil. La ventilación natural será mayor en climas fríos que en climas templados o cálidos; si la diferencia de temperatura desaparece, el flujo de aire cesa. Las minas que son profundas, donde la gradiente geotérmica es alta y las conexiones a superficie están a diferente altitud, tienen buena ventilación natural independientemente de su ubicación geográfica. Para minas de poca profundidad (hasta 500 m) la dirección del flujo es generalmente variable. La ventilación natural es fluctuante, inestable y poco confiable; en caso de un incendio la ventilación natural puede ser impredecible y peligrosa. En general, deberá considerarse como un medio auxiliar para ventilar la mina. Se hará trabajar el ventilador de tal manera que sea ayudado por la PVN.

20

Para una mina dada, PVN es una constante y el caudal que circulará a través de ésta (Qm), variará de acuerdo a la resistencia de la mina (Rm).

P

PVN Cte.

Qm Figura 2.2 Curva característica de PVN. (Fuente: Elaboración propia.)

2.2.

Ventilación mecánica La ventilación mecánica o ventilación forzada es la ventilación en la que las diferencias de presiones son creadas por dispositivos mecánicos accionados por energía eléctrica, aire comprimido, máquinas de combustión interna, etc. En minería, cuando la ventilación natural no es capaz de cumplir con las exigencias de caudal y velocidad suficientes, se utiliza la ventilación mecánica sea con ventiladores principales, secundarios o auxiliares. Para efectos de claridad se dan las siguientes definiciones: 

Ventilador principal: Ventilador que mueve el flujo de aire entre superficie y mina ya sea por inyección o extracción. Puede estar ubicado en superficie o en interior de la mina.

21



Ventilador secundario (booster): Ventilador que se encarga de mover el aire entre niveles o que direcciona el flujo de aire hacia los ventiladores principales ayudándolo a controlar la presión.



Ventilador auxiliar: Ventilador que se encarga de mover el aire a través de mangas hacia los frentes ciegos.

2.3.

Ventilación auxiliar En zonas que no son ventiladas por la corriente principal (frentes ciegos), es necesario una ventilación específica con el objetivo de tener en el frente de trabajo, el caudal de aire necesario para remover los gases. Esta ventilación es comúnmente conocida como ventilación Auxiliar.

2.3.1.

Elementos de una instalación auxiliar Una instalación de ventilación auxiliar estará formada principalmente por un ventilador y una manga. 1. Ventilador. Un ventilador o más instalados en serie dependiendo de las exigencias. Generalmente son de tipo axial. 2. Manga. Está formada por un tejido textil de poliéster revestido con PVC, el poliéster proporciona al conducto su resistencia mecánica. Se utilizan varios espesores en función a la presión que estará sometida. En el caso de ventilación aspirante las tuberías pueden ser también de poliéster llevando anillos de refuerzo que le proporcionan rigidez.

22

Las tuberías totalmente rígidas de PVC o metálicas no se recomiendan por su elevado costo, su alto peso y la dificultad para salvar obstáculos tales como curvas, estrechamientos, etc.

2.3.2.

Tipos de sistemas de ventilación La ventilación auxiliar en una mina o túnel puede ser de 4 tipos:

1.

Soplante El aire entra al frente de la labor a través de un conducto (manga), impulsado por un ventilador, y desplaza la masa de aire viciado hacia la corriente principal de aire. Este es el sistema predominante usado en la mayoría de minas y túneles subterráneos. La corriente de aire limpio que se genera en este sistema, a una velocidad relativamente alta, provoca al entrar en contacto con los gases existentes una mezcla turbulenta con lo que elimina la acumulación o estratificación de gases en zonas próximas al frente.

Galería principal

Ducto flexible Frente

Ventilado r Auxiliar Soplante

Figura 2.3 Ventilador soplante. (Fuente: Curso de Ventilación de Minas (2010) - Intercade.)

23

La salida del conducto debe estar situada a una distancia adecuada del frente, de modo que la zona de barrido se extienda hasta éste. Si la distancia es excesiva, se crea una zona muerta, en la que el aire no se renueva (ver Figura 2.4).

Figura 2.4 Zona muerta. (Fuente: Instituto de Ingenieros de Minas del Perú (1989). Manual de Ventilación de minas .)

2.

Aspirante En este método, el aire contaminado del frente es succionado a través del conducto debido a la depresión creada por un ventilador situado en el otro extremo. Este aire es evacuado en la corriente de ventilación principal, procedente de la cual entra aire limpio a través de la galería,

Ventilador Auxiliar Aspirante

Ducto Rígido Frente

Galería principal

Figura 2.5 Ventilación aspirante. (Fuente: Curso de Ventilación de Minas (2010) - Intercade.)

24

La boca de aspiración de la tubería debe situarse muy próxima al frente, pero aun así, debido a la distribución de las curvas de velocidades del aire en las zonas próximas a la aspiración,

este

sistema no efectúa en general un buen barrido del frente, por lo que suele ser necesario el uso de la configuración denominada mixta.

3.

Soplante con apoyo aspirante Forma parte de los sistemas mixtos, también llamado sistema solapado, utiliza un ventilador auxiliar de refuerzo, situado frente a la labor, y con un tramo de conducto de poca longitud. Estos sistemas combinan las ventajas de cada sistema, consiguiendo el mejor efecto de ventilación en situaciones concretas de minería.

Galería Principal

Ventilador Auxiliar Aspirante

Ducto Rígido Frente

Ventilador Auxiliar Soplante

Ducto flexible

Figura 2.6 Ventilación soplante con apoyo aspirante. (Fuente: Curso de Ventilación de Minas (2010) - Intercade.)

4.

Aspirante con apoyo soplante Un aspirante con solape soplante tendrá el esquema opuesto, y la función del ventilador auxiliar de refuerzo (soplante) es precisamente la de asegurar un buen barrido del frente, evitando la formación de zonas muertas sin ventilación adecuada.

25

Ventilador Auxiliar Aspirante

Ducto Rígido Frente

Ventilador Auxiliar Soplante

Ducto flexible

Figura 2.7 Ventilación aspirante con apoyo soplante. (Fuente: Curso de Ventilación de Minas (2010) - Intercade.)

2.4.

Pérdidas de carga La energía suministrada a un fluido en movimiento, por medios naturales o mecánicos, es consumida íntegramente para vencer las pérdidas de carga de un circuito de ventilación. Estas pueden dividirse en pérdidas por fricción, pérdidas por choque y pérdidas por presión dinámica.

2.4.1.

Pérdidas por fricción Las pérdidas por fricción o caída de presión estática son aquellas que se producen debido al rozamiento del aire con las paredes de los ductos, así como al propio rozamiento entre las partículas del fluido. Cuando el aire fluye a través de un ducto, la presión requerida para moverlo a través de él depende no sólo de la fricción interna, sino también del tamaño, longitud, forma del ducto, velocidad y densidad del aire. Todos estos factores son considerados en la ecuación de J. Atkinson, denominada Atkinson".

"Ley

de

26

∆𝑃𝑃𝑃𝑃 =

𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃 2 1.2 ×𝑃𝑃

… … … … (2.1)

Dónde:  ΔPS: Caída de presión estática (Pa).  ρ: Densidad del aire a cota de trabajo (kg/m3).  K: Factor de fricción del ducto o Factor de Atkinson (kg/m3).  C: Perímetro del ducto (m).  L: Longitud del túnel (m). V: Velocidad (m/s).  A: Área del ducto (m2).

Sabiendo que: Q = V × A La fórmula anterior se puede expresar como:

∆𝑃𝑃𝑃𝑃 =

𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃 2 1.2 ×𝑃𝑃3

… … … … (2.2)

En un circuito de ventilación auxiliar, las pérdidas por fricción en las mangas son de importancia de cara al diseño de la instalación, siendo las de las galerías del túnel o mina despreciables frente a estas (suponen en general menos de un 1% en relación a las de las mangas).

2.4.2.

Perdidas por choque Las pérdidas por choques son aquellas que se producen cuando el flujo de aire cambia de dirección o el conducto cambia de sección. Estas pérdidas se calculan como un porcentaje sobre la presión dinámica del fluido:

27

𝑃𝑃×𝑃𝑃2 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = £ … … … … … (2.3) 2

Dónde:  ΔPx: Caída de presión por choque (Pa).  £: Coeficiente de pérdida, valor obtenido experimentalmente.  ρ: Densidad del aire (kg/m3). V: Velocidad del aire en el conducto (m/s).

En un circuito de ventilación, esto ocurre en elementos como codos, cambios de diámetros o sección, puntos de bifurcación, rejillas de protección del ducto o ventilador, etc. La única dificultad del cálculo de estas pérdidas está en usar una correcta estimación del factor. Es mucha la literatura, basada principalmente en ensayos experimentales, que se ocupan de este tema.

2.4.3.

Pérdidas por presión dinámica Al final del circuito, usualmente a la salida del ducto (sistemas soplantes) o la salida del ventilador (sistemas aspirantes) se ha de tener en cuenta la velocidad con la que el aire sale, ya que ésta es una pérdida más. Estas pérdidas no tienen mayor complicación y se calculan por la general:

𝑃𝑃×𝑃𝑃2 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = … … … … … … (2.4) 2

fórmula

28

Dónde:

 ΔPd: Caída de presión dinámica (Pa).

𝑃𝑃: Densidad del aire (kg/m3). V: Velocidad del aire en el conducto (m/s).

2.4.4.

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

𝑃𝑃

= 𝑃𝑃×(1 −

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃

𝑃𝑃

)−𝑃𝑃⁄100 … … . . . … . (2.5)

100

Dónde:  Q FINAL: Caudal de descarga del ventilador axial (m3/s).  Q: Caudal requerido en el frente de trabajo (m3/s).  L: Longitud equivalente del ducto (m).  F: Factor de fuga del ducto otorgada por el fabricante (%).

2.5. Ventiladores eléctricos Un ventilador es una maquina rotativa que pone el aire o un gas en movimiento. Podemos definirlo como una turbomáquina que transmite energía para generar la presión necesaria manteniendo un flujo continuo de aire.

29

Para realizar este trabajo el ventilador requiere de una potencia en el eje del motor que lo acciona y que viene dada por la expresión:

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃) =

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝑃𝑃3 /𝑃𝑃) ×𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃ó𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝑃𝑃𝑃𝑃) … … … . (2.6) 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (%)

Un ventilador funcionando a una determinada velocidad y conectado a un sistema que tiene una resistencia dada, desarrolla una presión

que

representa su capacidad de realizar trabajo útil. Una vez estabilizado el flujo de aire a través del sistema, una parte de la energía impartida por

el

ventilador se convierte en velocidad (presión de velocidad), y el resto será la energía disponible para vencer la resistencia del circuito (presión estática o útil). La suma de estas dos presiones constituye la presión total del aire en un punto determinado del circuito.

2.5.1.

Clasificación de los ventiladores Los ventiladores se dividen en el sentido más general en 3 tipos: Ventiladores de centrífugos, hélice y axiales.

a)

Ventilador Centrifugo El ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire entra axialmente, es movido radialmente por el impeler y descargado tangencialmente. La trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y es perpendicular a la salida del mismo (ver Figura 2.8).

30

Figura 2.8 Ventiladores Centrífugos. (Fuente: Curso de Ventilación de Minas (2010) - Intercade.)

No obstante, en la actualidad, se está utilizando ventiladores de tipo centrífugo, con la característica particular y principal de que, tales unidades son instaladas mayoritariamente en superficie atendiendo la restricciones de evitar grandes excavaciones en interior. Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de Alabes (Ver Figura 2.9): 1. Alabes curvados hacia adelante (1). 2. Alabes rectos (2). 3. Álabes inclinados /curvados hacia atrás (3, 4, 5 y 6).

Figura 2.9 Tipos de Alabes. (Fuente: Conferencias sobre ventilación de minas - Zitrón.)

31

b)

Ventilador de Hélice Está formado por un rodete dentro de un anillo o carcasa de montaje. La dirección de la corriente de aire es paralela a la flecha

del

ventilador; se emplea para movilizar aire en circuitos cuya resistencia es muy baja; puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja.

Figura 2.10 Ventilador de Hélice (Fuente: Conferencias sobre ventilación de minas - Zitrón.)

c)

Ventilador Axial Este tipo de ventilador consiste esencialmente en un rodete alojado en una envolvente cilíndrica o carcasa.

Figura 2.11 Ventilador Axial. (Fuente: Conferencias sobre ventilación de minas - Zitrón.)

32

2.5.2.

Comparativa de ventilador axial frente a centrífugo a)

Los ventiladores axiales ofrecen mejor eficiencia en un amplio rango de puntos de funcionamiento, mientras que los

ventiladores

centrífugos pueden tener un rendimiento muy alto, pero solamente sobre un rango muy reducido, y sólo sobre una curva característica. b)

Este parámetro es muy importante ya que el coste de la energía es un factor que se tiene muy en cuenta. Si un

ventilador

centrífugo

diseñado para un punto de funcionamiento determinado ha de trabajar en otras condiciones, debido, por ejemplo, a un cambio en las condiciones resistentes de la mina, tendrá presumiblemente una disminución de rendimiento considerable. c)

Mayor rendimiento mecánico de los ventiladores axiales, ya que los ventiladores centrífugos transmiten el movimiento desde motor rodete

con

transmisión

por

correas

o

mediante

otros

al

tipos

transmisiones. Esto implica una serie de complicaciones adicionales frente a un ventilador axial, ya

que además de la pérdida de

rendimiento por transmisión, podrían aparecer más frecuentemente fenómenos de vibraciones debido a que es un sistema mecánico más complejo. d)

Un ventilador axial tiene más versatilidad en la regulación que un ventilador centrífugo, ya que podemos actuar sobre el ángulo de posición de los álabes y sobre la velocidad de rotación con un variador de frecuencia, mientras que el ventilador centrífugo tiene regulación por velocidad, y si queremos conseguir otro punto de funcionamiento, será a base de aumentar la resistencia del circuito, lo que significaría un incremento de potencia.

33

2.5.3.

Tipos de configuraciones de un ventilador Un ventilador puede ser, según la función que va a realizar de extracción de aire viciado o de impulsión de aire fresco. Los ventiladores de impulsión son generalmente más sencillos que los de extracción. En estos casos la protección del ventilador en su conjunto es más rigurosa; además, los motores pueden ser encapsulados para evitar que se dañen por la abrasión, la atmósfera corrosiva (casos típicos de minería) o resistentes a la temperatura durante un cierto intervalo de tiempo

Figura 2.12 Ventilador Axial Extractor. (Fuente: Foto tomada por el tesista en la mina San Vicente - Bolivia.)

Otro tipo de clasificación podría hacerse en función del número de etapas o escalones; la mayoría requieren una, sin embargo en ventilación auxiliar principalmente, se requieren presiones muy elevadas (más de 4,000 Pa). En estos casos es utilizan ventiladores de dos etapas, siendo capaces de conseguir

presiones mayores.

Teóricamente

uno

de

doble

etapa

conseguiría el doble de presión que un rodete de una solo etapa, pero en

34

la práctica el aire sale tan torsionado del primer rodete que el segundo pierde algo de eficiencia, con lo que realmente se consigue menos presión.

1 Etapa

2 Etapas

Figura 2.13 Ventilador de 1 y 2 Etapas. (Fuente: Conferencias sobre ventilación de minas - Zitrón.)

2.5.4.

Componentes de un ventilador axial Las partes importantes que componen un ventilador y que afectan sus propiedades aerodinámicas son: a)

Rodete o impulsor, es la parte móvil del mismo, se compone de álabes y cubo o soporte de los álabes. En función de las necesidades, el rodete puede ser de álabes regulables o no regulables. En el caso de álabes regulables, pueden ser:  Álabes regulables manualmente por regulación individual.  Álabes regulables manualmente por regulación central.  Álabes regulables hidráulicamente. En este caso existe

la

posibilidad de que dicha regulación se haga con el ventilador en marcha.

b)

Carcasa o cilindro base, es la envolvente que protege el rodete y el motor del ventilador.

35

c)

Motor, transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

d)

Tobera de admisión o campana aerodinámica, se trata de un accesorio que sirve para minimizar las pérdidas de carga producidas en la entrada del aire en el ventilador.

e)

Cono difusor, es un elemento que se acopla a la descarga del ventilador para reducir la presión dinámica, ésta una pérdida del sistema, es decir, es una energía que el ventilador genera, pero que no realiza trabajo.

f)

Rueda Directriz, accesorio aerodinámico cuya función es direccionar el flujo de aire axialmente a la salida del ventilador, y

así

pérdidas por turbulencia.

Figura 2.14 Partes de un ventilador axial bietápico. (Fuente: Manual de servicio de ventiladores axiales mineros - AIRTEC.)

evitar

36

2.5.5.

Curva característica del ventilador. La curva característica de un ventilador es la representación gráfica de la relación existente entre la presión desarrollada por la máquina y el caudal de aire que fluye a través de la misma para una velocidad de rotación determinada. Para cada ángulo de regulación de los álabes tendremos una curva distinta. El punto de corte de la curva del ventilador con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador (Po, Qo). Ésta curva, muestra generalmente la presión estática desarrollada y la potencia al eje requerida para cada condición de flujo. En algunos casos, se incluye además la eficiencia del ventilador

Figura 2.15 Curva característica del ventilador. (Fuente: Seminario de ventiladores axiales mineros - AIRTEC.)

37

1° Trabajo en serie de dos ventiladores Con el trabajo de dos ventiladores similares, instalados en serie y que giran con igual número de revoluciones, el caudal de aire que generan es ligeramente

mayor

a su

caudal

inicial

y

la

presión

aproximadamente el doble. La curva característica

total

combinada

es se

construye sumando sus presiones (ordenadas), para un mismo caudal. Para una resistencia dada, un solo ventilador podría trabajar en un punto próximo al bombeo (P1, Q1); en cambio al acoplarle otro ventilador, se puede observar que está bastante alejado del régimen inestable (PT, QT). Ver Figura 2.16

Figura 2.16 Curva de dos ventiladores en serie. (Fuente: Conferencia sobre ventilación en minas - ZITRON.)

38

2° Trabajo en paralelo de dos ventiladores Dos o más ventiladores instalados en paralelo son utilizados para generar un mayor caudal manteniendo una misma presión. La curva característica combinada se obtiene sumando sus caudales (abscisa) para una misma presión. El caudal conseguido (QT) no es nunca la suma de los que se conseguiría con cada uno de los ventiladores trabajando solo (QT1), ya que la curva de resistencia del sistema no es una horizontal sino una curva de segundo grado. Si sólo uno de los ventiladores trabajase, su punto de funcionamiento sería distinto, con una presión más baja y con un caudal de aire mayor (PT1,QT1). Ver Figura 2.17.

Figura 2.17 Curva de dos ventiladores en paralelo. (Fuente: Conferencia sobre ventilación en minas - ZITRON.)

39

2.5.6.

Fenómeno de Bombeo Para un solo ventilador en funcionamiento, si la resistencia del

circuito

fuese menor de lo estimado, el punto de funcionamiento se desplazaría hacia caudales mayores, pero, si la resistencia fuese más elevada el punto de funcionamiento tendería a caudales inferiores, llegando incluso a hacer que el ventilador trabajase en régimen inestable, es decir en bombeo. Este fenómeno se evita en la fase de diseño calculando un tipo de álabe que defina una curva del ventilador, tal que el corte con la curva resistente esté fuera de la zona inestable del ventilador. Para cada curva característica del ventilador tendremos un punto de bombeo, por tanto, si tenemos en cuenta que un ventilador tiene un haz de curvas que abarca el rango de regulación de los álabes, definimos la curva formada por los puntos de bombeo del haz como “curva límite de bombeo”.

Figura 2.18 Ventilador sobredimensionado y subdimensionado. (Fuente: Conferencia sobre ventilación en minas - ZITRON.)

40

Un ventilador operando cerca del punto de bombeo tendrá un severo incremento de ruido. En algunos ventiladores sonará casi como si el rodete estuviese siendo impactado por un objeto sólido (“hammering”). Si trabajase continuamente en bombeo puede provocar una fatiga estructural de los álabes.

2.5.7.

Potencia Instalada Gran parte de los ventiladores de las minas son impulsados por motores eléctricos (de corriente alterna); la energía eléctrica que consume dicho motor puede calcularse de la siguiente manera:

𝑃𝑃 = 𝑃𝑃 ×𝑃𝑃 ×𝑃𝑃𝑃𝑃 ×√3 … … … … … . (2.7) Dónde:  W : Potencia Eléctrica en Kw.

E : Voltaje en kv.

𝑃𝑃 : Corriente en Amp.  𝑃𝑃𝑃𝑃 : Factor de potencia, cosɸ.

Las consideraciones que debemos tener en cuenta para calcular la potencia del motor son: 1° El caudal de aire que necesitamos mover, ello depende de nuestro requerimiento, según el personal que labora, los equipos diésel, el tipo y cantidad de explosivo a utilizar. (Q) 2° Cuál es la presión del sistema, ello está sujeto al caudal y la topografía de los ductos de la mina. (H)

41

3° La eficiencia del ventilador, la cual varía entre 60 a 80%, dependiendo de la fabricación, tamaño y punto de trabajo. (η) 4° Cuanto es la potencia mecánica necesaria para mover el caudal Q de aire en un circuito cuya depresión es H, en Kw. (AHP)

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑃𝑃×𝑃𝑃 … … … … … … … … . … . . . (2.8) 5°

La potencia eléctrica del ventilador en Kw. (BHP)

6° La eficiencia de la transmisión, la cual varía

entre

transmisión por poleas y correas, y 100% para

90%

para

transmisión

directa.(DE)

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 =

𝑃𝑃×𝑃𝑃×𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃

… … … … . … … … … . (2.9)

7° Cuanto es el costo de operación, que está en función de la potencia del ventilador BHP, el costo unitario de energía por hora Ce y tiempo de trabajo t. (Co)

𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃×𝑃𝑃𝑃𝑃 ×𝑃𝑃 … … … … . . … … … . . (2.10)

el

42

CAPITULO III LEVANTAMIENTO DE VENTILACION

Al inicio del estudio, la mina no contaba con un plan de aforos ni con instrumentos necesarios para realizarlos. Con el fin de implementar una metodología de medición se elaboró un esquema de aforo de las principales entradas y salidas de aire; adicionalmente la mina contará con un formato básico de medición de estaciones, que permitirá a la empresa, llevar un control de las variaciones de flujo según el minado y los cambios de posición de los ventiladores.

3.1.

Método de medición Las mediciones del flujo de aire se basaron a la norma: “ASHRAE 111; Practices for measurement, testing, adjusting and balancing of building heating, ventilation, Air-conditioning and refrigeration Systems” usando el método de áreas iguales “Method of equal areas”. Se basa principalmente en la aproximación del área transversal del túnel a un rectángulo para luego ser divido en áreas iguales y en su centro realizar las mediciones de velocidad que posteriormente se promediarán.

43

Figura 3.1 “Method of equal areas” (Fuente: Elaboración propia.)

3.2.

Metodología del trabajo de campo Se detallan las actividades:  Identificar las principales entradas y salidas de aire de la mina.  Tener codificadas todas las estaciones de monitoreo, indicando el nivel al que pertenece, se identificará claramente la dirección del flujo, midiendo la velocidad del aire, así como la sección de la labor y condiciones psicométricas.  Anotar el estado de puertas, reguladores, cortinas de ventilación, mangas, puntos de recirculación de aire y otros.  Concluido el levantamiento de aforos, se debe determinar el balance de entradas y salidas de aire, no debe exceder en más de un 10%. El caudal del aire en una chimenea es normalmente medido al pie de la misma, tomando como base la galería de llegada. La velocidad del aire es tomada a una distancia mayor de 8 m del pie de la chimenea, fuera de la zona de turbulencia. Hacer una medición de velocidad usando anemómetros en la

44

misma chimenea no es factible, es insegura y puede resultar en medidas inexactas por la incomodidad y turbulencia del aire.

3.3.

Equipos de medición  01 Equipo digital multifunción:  01 Sonda de hilo caliente.  01 Sonda molinete de 60 mm Ø.  01 Sonda molinete de 16 mm Ø.  01 Barómetro-altímetro digital.  01 Distanciómetro digital.  01 Cronometro digital.  Tubos de humo.  01 Medidor de gases, con registro de oxígeno (O2), (CO) y (NO).

. Figura 3.2 Instrumentos de medición de flujo de aire. (Fuente: Manual de equipos Testo.)

45

3.4.

Estaciones principales Para el cálculo de la cobertura de la mina así como para la calibración del modelo en el software VENTSIM™ se tomó en cuenta las 09

bocaminas

activas y la chimenea CH-240; el resto de chimeneas a superficie fueron excluidos debido a su gran cantidad (se contabilizaron 48) y la variabilidad de sus flujos, siendo está muy sensible a los cambios climáticos, así como al tránsito de las locomotoras que crean un efecto pistón. Se comprobó que en lapso de una hora éstas cambian de valor e incluso de dirección. Las siguientes tablas presentan un resumen de los puntos aforados:

UBICACIÓN

EST.

TEMP

Presión Baromt.

SECCION

AREA

VELOCIDAD

Nivel

Labor

°C

hPa

(a) m

(h) m

m2

EP-6

1275

BM Neptuno

25.0

974.5

2.82

2.80

7.41

0.81

EP-9

1300

CH-240

25.1

975.2

2.50

2.77

6.50

0.23

EP-10

1450

BM Capitán

26.0

966.1

1.20

2.10

1.51

1.35

CHs a Superficie

CAUDAL

m/s

m/min

m3/min

48.8

361.4

12,764

90.2

3,185

122.8

4,336

1,400.0

49,441

1,974.4

69,725

13.88 81.2

Estimado

TOTAL INGRESO

cfm

Tabla 3.1 Medición de Caudales de Ingreso. (Fuente: Levantamiento de campo.)

UBICACIÓN

EST.

TEMP

Presión Baromt.

SECCION

AREA

Nivel

Labor

°C

hPa

(a) m

(h) m

m

EP-1

850

BM La Mar

26.5

988.2

1.80

1.80

EP-2

850

BM Martha

27.0

986.1

4.14

EP-3

850

BM Guatuza

25.7

986.3

EP-4

1070

BM Guatuza 2

29.5

EP-5

1100

BM Capitán 2

EP-7

1300

EP-8

1300

2

VELOCIDAD

CAUDAL

m/s

m/min

m3/min

3.04

0.65

39.2

119.0

4,202

3.50

13.59

0.65

38.9

529.2

18,688

4.80

3.40

15.31

1.02

61.1

934.8

33,013

977.7

2.80

2.10

5.52

0.20

11.9

65.0

2,311

24.6

976.3

3.40

2.60

8.29

0.27

16.5

136.5

4,822

BM Patricia

25.6

969.9

2.60

2.60

6.34

0.27

16.1

102.3

3,613

BM Pluto

25.6

970.6

2.80

2.60

6.83

0.10

6.2

42.3

1,495

1,929.6

68,144

TOTAL SALIDA

Tabla 3.2 Medición de Caudales de Salida. (Fuente: Levantamiento de campo.)

cfm

46

3.5.

Estaciones secundarias Las estaciones de ventilación secundarias, se tomaron en las labores de mayor representatividad, galerías, cruceros, chimeneas, los cuales permitió conocer la distribución interna del flujo de aire. La data se observa en el Anexo IV.

3.6.

Análisis de velocidad de aire por niveles De las 68 estaciones de ventilación monitoreadas en interior mina, 47 están debajo de los rangos de velocidades permitidas (presentan valores inferiores a 25 m/min), además tienen valores de humedad muy altas, en promedio están en 90% e incluso algunas llegan a 99%, creándose condiciones de riesgo. Se muestra las tablas y gráficos con los datos obtenidos, haciendo la respectiva comparación entre labores que cumplen con la norma según el DS055-2010-EM del estado Peruano.

Estaciones No Permisb.

Permisb.

Total

Nv 850

7

9

16

Nv 960

5

2

7

Nv 1100

12

6

18

Nv 1300

23

4

27

Total

47

21

68

Distrb.

69 %

31 %

100 %

Tabla 3.3 Distribución de Estaciones Global. (Fuente: Elaboración propia.)

27

30 23

25

Velocidad (m/min)

Nivel

20

18

16 12

15 10

7

9

7

5

0