VENTILACION NATURAL

YESSICA BOTERO VARGAS

ALEJANDRA RASHID

SEBASTIAN OSPINA PORRAS

AMBIENTES MINEROS

HERNAN DARIO MARIN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIN

2014

INTRODUCCION

Se pretende mostrar a continuación, un método de ventilación que era usaba habitualmente en la antigüedad y que hoy en día existen pocas minas que hacen uso de dicho método. Desde la aparición de los ventiladores, dia tras dia se fue volviendo obsoleta la ventilación natural, ya que esta presenta varias limitantes y grandes riesgos en cuestiones de seguridad industrial, pero que cabe tenerlo en cuenta.

VENTILACION NATURAL

Principalmente debemos definir que es la ventilación natural, para a partir de ahí desenglobar cada una de las componentes de interés de estudio y análisis, para lograr comprender en que consiste. Es por eso que Se define ventilación natural como el flujo de aire fresco que recorre el interior de una labor minera sin necesidad de equipos mecánicos; la única fuerza natural que puede crear y mantener un flujo de aire sustancial es básicamente, energía térmica, generada gracias a una diferencia de temperatura (calentamiento del aire que circula a lo largo de la labor), este calentamiento del aire a su vez, a medida que pasa a través de lugares de trabajo, añade energía térmica, esto es suficiente para superar las pérdidas de carga (existencia de diferencia de presión), teniendo como resultado un flujo de aire.

El flujo de aire natural a lo largo de una galería es inducido por una diferencia de presiones, la cual solo puede ser suministrada por una fuente de energía; existen dos fuerzas que pueden utilizarse para generar diferencia de presiones, naturales y mecánicas.

Las minas profundas no necesitan de buena ventilación natural; en lugar de la profundad lo que realmente determina la fuerza de la presión natural que afectara al flujo del aire, es la intensidad del calor de roca y la diferencia en la elevación de la diversas labores de la mina.

la ventilación natural toda mina deberá tener pozos o galerías distintos para entrada y salida de aire, esta solo se dará en minas subterráneas donde exista una diferencia de altura entre las bocaminas de entrada y salida. Pero más importante que la profundidad de la mina es el intercambio termodinámico que se produce entre la superficie y el interior de esta. Cuando una mina tiene labores tanto horizontales como verticales existirá una diferencia de temperatura entre el aire superficial y del interior por tal motivo la ventilación es muy cambiante y depende en gran medida de la época del año y en algunos casos, de la noche y el día.

Dado que es un fenómeno de naturaleza inestable y fluctuante, en ninguna explotación subterránea debe utilizarse como único método de ventilación.

CARACTERISTICAS

La ventilación natural depende de la diferencia de elevación de la superficie y de los trabajos de la mina y de las diferencias en la temperatura del aire dentro y fuera de la mina, normalmente entre mayor sea la diferencia, mayor será la presión natural de ventilación creada y por lo tanto mayor será el flujo de aire resultante.

Las variaciones de temperatura superficial en muchas partes del mundo excede 100ºF entre el verano y el invierno extremos; las variaciones de temperatura dentro de una mina son pequeñas, sin embargo se ha detectado que el efecto de los cambios diurnos y estacionales tienen cierto impacto sobre la temperatura del aire de ventilación, pues estos cambios tienden a ser amortiguados por los estratos de suelo, lo que suministra o extrae calor del aire de ventilación. Las minas ubicadas a una altitud considerable, frecuentemente tienen una buena ventilación natural, debido a la notable diferencia de altura de las labores. A su vez las minas profundas, pero que se encuentran en zonas calientes gozan igualmente de una buena ventilación, sin tener en cuenta su locación geográfica, pero el flujo natural es más fuerte en un clima frio que en clima cálido.

Otro factor que afecta la ventilación natural es el contenido de humedad en el aire. El contenido de humedad del aire que ingresa a las galerías depende en gran medida de las estaciones de año y el cambiante clima del día a día, mientras que el aire de escape se mantiene constante, dependiendo de los niveles de humedad reportados, puede afectar poco o bastante el flujo de aire a través de la mina. Esta humedad es debida a la variación atmosférica, ya sea diurna o por temporada; el efecto diurno de esta variación es de poca importancia a la hora de hacer análisis de transferencia de calor, al contrario del cambio estacional atmosférico que es de gran relevancia a la hora de realizar estos análisis.

La presión generada por energía térmica generalmente es menor a 124 Pa y rara vez excede los 746 Pa.

La cantidad de flujo de aire varía con la resistencia de la mina (resistencia de la roca encajante) y es menor a 47,2 m3/s.

La dirección del flujo es raramente constante, particularmente en minas poco profundas (menos de 450 m). Si la temperatura en la superficie es menor que la temperatura en el interior de la mina, pero gradualmente incrementa superando la temperatura de la mina

(situación observada en el cambio del clima a lo largo de todo el día), el flujo de aire ira en sentido contrario, esto puede ocurrir ya sea por temporadas o diariamente.

FUNDAMENTOS TERMODINAMICOS

En una mina donde se hace uso de ventilación natural, es muy fundamental conocer los agentes termodinámicos que actúan e influyen en el comportamiento dentro de la mina, porque así se permite entonces determinar la temperatura y presión al interior de la mina, y el comportamiento del aire dentro de ella.

Se debe partir entonces inicialmente con un modelo de mina ideal para la ventilación natural, en este modelo es importante conocer la columna de aire que ha sido calentado en la labores mineras que une a los dos piques como se presenta en la grafica, simultáneamente la grafica y los siguientes parámetros de una mina ideal nos permite realizar un análisis termodinamico. En una mina ideal:

No existe pérdidas de fricción (H = 0 Kg/m2);

La energía cinética no tendrá  importancia;

Los procesos en el interior de la mina son adiabáticos;

Habrá  entrega de calor en la explotación de la mina (laboreo);

No existe evaporación ni se agrega gases al aire;

La presión atmosférica es la misma en los dos brocales de los piques

Con los criterios anteriores, determinamos entonces que en un gráfico Presión-Volumen obtenemos:

Analizando cada tramo para una mina ideal con ventilación natural, se tiene que:

1 - 2) Compresión adiabática producida por el cambio de presión;

2 - 3) Se presenta una expansión a presión constante, esto debido a que:

No hay cambio en la energía potencial. Tampoco en la energía cinética. El aire no presenta un trabajo realizado. No existe trabajo perdido a causa de fricción o choque.

P2∗V 2T2

=P3∗V 3T 3

P2=P3

T 2<T3

Es así que entonces

V 2<V 3

3 - 4') Expansión adiabática hasta el brocal (4').

4' - 4) Expansión en el brocal a la presión atmosférica (4-4'). Esto es la presión de ventilación natural.

4 - 1) Compresión a presión constante el aire arroja su calor hasta alcanzar su temperatura atmosférica.

El  área "a-1-2-b-a" = Cambio de energía potencial y es igual al  área "b-3-4'-c-b"El  área "c-4'-4-a-c" = al  área "1-2-3-4-1" = Trabajo de ventilación natural.

4'- 4) Presión de ventilación natural.

En esta zona se interesa en aumentar el área, modificando la altura y el ancho, para lograr el aumento de la altura se debe profundizar la mina.

El aumento del ancho dependerá  del mayor aumento de la temperatura, es un efecto termodinámico.

Luego de haber analizado los parámetros en una mina ideal, se debe reconocer que la realidad es otra, es por eso que con las bases de una mina ideal se puede interpretar y crear un modelo en una mina real, en donde existen perdidas producidas pro la friccion del aire en las paredes, y por choques debido a singularidades, el grafico Presion-volumen cambia, como se muestra en la figura, en donde se aprecia que la posibilidad de entregar trabajo disminuye al igual que la presión de ventilación.

Presión

(b) (2) (3)

b 2 b' 3

C (4') c 4' a 4

vol.

El uso de ventilación natural es de gran importancia, en especial para minas profundas, pues el valor de la presión natural en las minas que utilizan este método alcanza el 50% y más de la presión total, algunas minas como en Bolivia, tienen únicamente ventilación natural.

VALORES DE LA PRESION NATURAL

Se presenta a continuación algunos valores promedios de la presión natural según su profundidad.

Profundidad de la Mina Presión Natural de Ventilación400 - 500 m. 25 - 30 mm.c.a.700 - 800 m. 50 - 60 mm.c.a.1.000 - 2.000 m. 100 - 120 mm.c.a.

Para calcular la presión natural se utiliza entonces la siguiente ecuación:

Hn=P0∗L100

∗¿

Donde R = constante de gases, igual para el aire 29,27;

t1 y t2= temperaturas medias de la corriente de aire entrante y saliente,ºC.

Cuando L > 100 m, hay que multiplicar Hn por un coeficiente de corrección

(1 + L/10.000).

Otro método de medir la depresión natural consiste en instalar un tabique con puerta en una galería, por la que pase la totalidad de la corriente de aire; la depresión total es igual a la diferencia de presiones, medidas con barómetro o depresiómetro a ambos lados del tabique. La medición debe realizarse rápidamente después del corte de la corriente, para que no cambie la temperatura del aire y en consecuencia su densidad.

DETERMINACION DE LA DIRECCION E INTENSIDAD DE FLUJO DE VENTILACION NATURAL

Se deben tener en cuenta los siguientes procesos y observaciones

Visualizar columnas de aire de igual altura entre dos líneas de referencia horizontal, ubicar dos puntos para comparar la diferencia de presión en el circuito.

Considerar que la temperatura en invierno debe ser más fría en superficie que en la mina y viceversa en verano, a menos que esté disponible alguna información que indique lo contrario.

La columna de aire más fría será la más pesada y tendera a hundirse, desplazando a la columna más caliente y ligera.

La dirección del flujo de aire en la mina será a partir de la columna más pesada hacía la más ligera

Considérese el siguiente ejemplo, que ilustra lo ducho anteriormente, para ambas temporadas (figura 1)

Sistema a Sistema b Sistema cDirección, invierno

Cualquiera Derecha a izquierda Derecha a izquierda

Dirección, verano Ninguna Izquierda a derecha Izquierda a derecha

Figura 1. Determinacion de la direccion de ventilacion natural para un sistema.

La cantidad de flujo de aire que resulta de la presión natural de ventilación en una mina puede ser calculada o encontrada gráficamente.

Usando unidades del sistema internacional, la ecuación es:

Q [m3s ]=√ H n A3

KP(L+Le)[1 ]

Siendo:

Hn presión de ventilación natural (Pa)

K factor de fricción (kg/m3)

P perímetro (m)

L distancia (m)

Le longitud equivalente debido a la perdida de carga (m)

A área (m2)

La ecuación [1] es aplicable siempre y cuando la resistencia de las galerías sea constante alrededor de toda la mina, además el valor encontrado por esa ecuación es verídico solo si se asume flujo incompresible.

En una mina con diferentes tamaños, una solución grafica es de gran ayuda, las características de la mina son trazadas

Figura 2. Curvas características de la mina y la ventilación natural y punto de apertura del sistema

La cantidad de aire que fluirá en la mina se puede leer en la intersección de las dos curvas, este es el punto de funcionamiento del sistema, y las curvas constituyen la característica del sistema.

CONTROL

Sabiendo que la ventilación natural es variable y poco confiable, el control del mismo debe ser ejercido; dispositivos de control en el uso de la ventilación mecánica se pueden utilizar también para mantener la ventilación natural en jaque; la ventilación natural sin control no debe ser permitida, es particularmente peligrosa en caso de incendio, debido a que la diferencia de densidad en las galerías, crean efectos de flotabilidad.

INFLUENCIA

En las labores subterráneas accesibles la corriente regular de aire debe ser suficiente y en armonía con las condiciones de trabajo. El aire exterior que se introduce debe estar exento de gases, vapores y polvos nocivos o peligrosos, el volumen de aire que es introducido por la ventilación natural debe cumplir un caudal que este en relación con la extensión de la mina, la cantidad de trabajadores, la temperatura, humedad, emisión de polvo y otras sustancias peligrosas. El caudal mínimo de aire en las labores mineras debe estar en función del número de personas presentes en el relevo más numeroso, si no se hace necesario medios de ventilación artificial para regular cuando no sea capaz la ventilación natural de cumplir las condiciones mínimas. En las labores de fondo, de más de 15 metros en horizontal o de 5 metros en pendiente, se establece que la ventilación natural debe tener una circulación secundaria con conducción independiente. No obstante, la autoridad minera podrá establecer excepciones en caso de grandes cámaras que ventilen por convección o de labores que puedan realizarlo por difusión.

El método de explotación adoptado en una mina tiene una gran influencia sobre el valor y resultado de la ventilación obtenida en los frentes de explotación; el condiciona, en una cierta cantidad la proporción del aire entrante utilizado en el tajo de explotación, la dilución del grisu y el desarrollo de incendios en la mina.

Los métodos de arranque por pilares abandonados con vacíos entre los pilares son poco favorables a una buena utilización del flujo de aire puesto en circulación; en estos vacíos la proporción de aire utilizado en el frente es pequeña.

NORMATIVA

Según lo establecido en el parágrafo del artículo 34 y en el artículo 40 del decreto N° 1335 DE 1987, reglamentario de la seguridad en las labores subterráneas encontramos las siguientes normas:

Toda labor subterránea debe poseer por lo menos dos conexiones de las excavaciones subterráneas con la superficie, una de estas servirá para llevar aire fresco al subsuelo, y la otra para evacuar el aire viciado después de hacer el recorrido por las diferentes secciones de la mina.

Para que se origine un flujo de aire natural en una labor subterránea debe existir en ella, una diferencia de presión, el aire fluirá desde el sitio de presión más alto al sitio de presión más bajo.

La ventilación natural se debe medir a diferentes horas del día, según los cambios del clima ocasionados por variaciones de la temperatura de ambiente.

Siempre que la ventilación natural no sea suficiente, para suministrar la cantidad de aire necesario, se hará uso de la ventilación mecánica.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

http://www.concretonline.com/pdf/08mineria/legislacion/ITC/ITC_04_7_01.pdf

http://cip.org.pe/imagenes/temp/tesis/42289037.pdf

http://www.sernageomin.cl/pdf/mineria/seguridad/200812GuiaVentilacionMinas.pdf

http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2014/01/ventilacion-subterranea/

http://www.simco.gov.co/simco/documentos/Seg_Minera/ventilacion_control%20de%20polvos0001.pdf

Libro yessica

Libro sebas