Libro De Ventilacion De Minas 295x2h

Ingeniería de minas

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VENTILACIÓN DE MINAS INTRODUCCIÓN

GLOSARIO: 1. VENTILAR. Es renovar el aire del ambiente de trabajo. 2. CONDUCTO. En ventilación de minas, se refiere a las galerías, chimeneas, etc. que sirven para la circulación del aire de ventilación. 3. DUCTO. Se refiere mayormente a las tuberías de Fe, mangas de lona, de jebe, de plásticos, etc. que transportan un caudal de aire accionados por los ventiladores. 4. FLUIDO. Es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene, y al ser sometido a un esfuerzo cortante se deforma continuamente sin importar la magnitud de este. Aquellas sustancias cuyas moléculas, por falta de cohesión, pueden deslizarse unas sobre otras, se llaman líquidos; mientras otras sustancias cuyas moléculas pueden moverse sueltas, se llaman gases. 5. FLUJO. Es el movimiento de los fluidos. 6. AIRE FRESCO. Es el aire atmosférico de ingreso a interior mina y es totalmente respirable. 7. AIRE VICIADO. Es el aire de retorno o salida de la mina, que ha sufrido el empobrecimiento en el contenido de oxígeno y a la par se ha cargado de gases tóxicos y otras emanaciones. 8. AIRE ACONDICIONADO. Es el aire tratado en una instalación apropiada a determinadas condiciones de temperatura, humedad y presión, con el cual se ventila un ambiente creando una atmósfera sana.

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CAPÍTULO I CONDICIONES AMBIENTALES DE LAS MINAS 1.1 EL AIRE NATURAL O AIRE ATMOSFERICO. Es el aire que rodea la tierra y es el sustento de la vida y las combustiones. Es el elemento que respiramos y está compuesto por una mezcla de gases más o menos constante. Los compuestos principales en volumen del aire natural puro, seco y a nivel del mar son: el oxígeno, nitrógeno, porcentajes pequeños de gases raros y el dióxido de carbono en porcentaje variable.

Nitrógeno Oxígeno Dióxido de carbono Argón, helio, neón, etc

% en Volumen 78.09 20.95 0.03 0.93

% en peso o masa 75.53 23.14 0.046 1.284

Debemos tener presente que el aire seco no existe en atmósfera normal. Normalmente el aire es húmedo, con contenidos de vapor de agua que varían desde 0.1% a 3% en volumen (en las minas generalmente excede el 1%). Asimismo el aire es incoloro, inodoro e insípido. Para efectos prácticos puede considerarse la composición de 1 m 3 de aire como sigue: Nitrógeno 78% Oxígeno 21% CO2 + otros gases 1% De estos elementos, el oxígeno es el elemento aprovechable por el organismo, mientras el nitrógeno cumple la función de diluir el oxígeno, puesto que el hombre no podría subsistir respirando oxígeno puro por más de 48 horas. La densidad del aire al nivel del mar y a 21°C es de 1.2 kg/m3 ó 0.075 lb/ft3. El peso específico de 1 m3 de aire atmosférico a la presión de 760 mmHg y a temperatura de 0°C es de 1.293 kg/m3. En las alturas la densidad del aire baja, por ejemplo, de 0.075 lb./ft3 a nivel del mar a 0.0473 a 15,000 ft de altitud; igualmente el % de oxígeno disminuye, según la altitud, de 20.95% a 19.5%; no obstante, el hombre puede sobrevivir aún con menor porcentaje de oxígeno, siempre que no baje del 16%. La masa de un gas presente en un espacio determinado dependerá de su temperatura y de la presión ejercida sobre el mismo. Esta presión ejercida estará dada por la presión atmosférica y las presiones adicionales generados por medios mecánicos tales como los ventiladores y compresores.

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1.2 AIRE DE LA MINA. Es el aire atmosférico que durante su recorrido por las labores subterráneas, sufre una serie de alteraciones físico-químicas en su composición, al cargarse de algunos gases tóxicos, calor, vapor de agua y el polvo producidos por las operaciones mineras; simultáneamente también se produce los procesos de oxidación de los minerales y rocas sulfurosas, maderas y otros materiales orgánicos e inorgánicos, generando en el aire de la mina una disminución del contenido de oxígeno y el aumento de CO 2 y otros gases tóxicos (CH4, H2S, SO2, CO, H, NOx). Este aire de la mina contaminado e irrespirable se llama aire viciado o de retorno. Respiramos el aire con 20.95% de O2 y 0.03% de CO2 y expulsamos con 16% de O2 y 5% de CO2, por eso.

Asfixia: Es la suspensión de la función respiratoria llegando a causar la muerte de la persona. Inhalación: Es el ingreso del aire a los pulmones y la caja toráxico se ensancha. Exhalación: Es la expulsión de una parte del aire contenido en los pulmones y la caja toráxico vuelve a su volumen anterior. Otro factor importante del aire que se requiere en las minas, es el caudal de aire por unidad de tiempo que debe fluir por los conductos subterráneos, de tal modo que los gases contaminantes no alcancen concentraciones por encima de los límites permisibles que puedan poner en riesgo la salud y la propia vida de los trabajadores. La cantidad de aire que requiere un trabajador depende del ritmo de trabajo y de la constitución física de cada persona; a mayor actividad requiere inhalar mayor volumen por minuto de aire, para tomar mayor cantidad de oxígeno. El siguiente cuadro indica que a mayor actividad respiramos más veces por minuto, nos agitamos y necesitamos mayor cantidad de oxígeno del aire (ver a) y por lo tanto mayor número de CFM del aire (Ver la 3ra columna). La utilidad de esta tabla es para estimar los efectos de la respiración (De concentraciones de O2 y CO2) en un área confinada.

TABLA 1.1: TASAS TÍPICAS DE CONSUMO DE O2 Y PRODUCCIÓN DE CO2 DURANTE LA RESPIRACIÓN HUMANA. Volumen de

Actividad

CO2 a) Volumen evacuado b) Cociente Respiración de O2 o respiratorio por minuto Inhalación consumido producido. CO2/O2 3 de aire (ft /min) (ft3/min ) 3 (ft /min) a) x b)

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En descanso

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12-18

0.2-0.5

0.01

0.75

0.0075

En trabajo 30 moderado

1.6-2.1

0.07

0.9

0.063

En trabajo muy 40 vigoroso

3.5

0.10

1.0

0.10

Fuente: Basado en el trabajo de Forbes and Grove (1954) El cociente respiratorio (CR), es la razón entre CO2 expelido y el oxígeno consumido, en   volúmenes  CO 2  . Este cociente tiene la importancia de relacionar al O2 con CO2, y nos    O2  indica el esfuerzo que hace el organismo humano. Por ejemplo, cuando el CR se acerca a la unidad, significa que la persona está realizando mayor trabajo (Ver la columna b) Por otro lado, del cuadro se puede concluir que cuando ingresamos a una zona que se presume la existencia de gases tóxicos, se debe ingresar lentamente y sin mover el agua si hubiera, a fin de minimizar nuestra actividad para que el consumo de aire sea menor y al mismo tiempo consumir menor concentración de gases. Siendo el límite permisible mínimo del oxígeno a cualquier altitud de 19.5% y le L.M.P del CO2 es de 0.5% que equivale a 5000 ppm, podemos plantearnos los siguientes ejemplos. 1.- ¿Cuántos ft3 de aire se necesita, en un trabajo forzado, para mantener el oxígeno por encima del 19.5% y no sentir los dolores de cabeza, mareos, sueños y otros? Solución: Q = número de CFM de aire necesario. Cantidad de oxígeno en el aire que se inhala

0.21Q Q=

Menos

–

Cantidad de oxígeno que se consume en trabajo vigoroso

Cantidad de oxígeno mínimo en el aire que se inhala

=

0.1

=

0.195Q

0.1 = 6.7 CFM 0.21  0.195

2.- ¿Cuántos ft3 de aire necesitamos, en un trabajo forzado, para que la concentración del CO2 no pase más allá de su límite máximo permisible, que nos atonte y llegue a asfixiarnos?

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Solución: La máxima concentración permisible del CO2 es de 0.5%.

Cantidad de

Cantidad de CO2

CO2 en el aire de ingreso

resultado de la respiración en trabajo vigoroso

0.0003Q 0.1 Q=  21.3CFM 0.0047

Más

+

0.1

=

=

Cantidad de CO2 en el aire exhalado

0.005Q

1.3 ESTÁNDARES DE CAUDAL DE AIRE EN LA ACTIVIDAD MINERA. El caudal es la cantidad y calidad de aire que ingresa a la mina y sirve para ventilar las labores de interior mina. La condición de este caudal de aire es que fluya de un modo permanente y sin interrupciones. De acuerdo al Artículo 236° del Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería (D.S N°055-2010-EM), todo sistema de ventilación subterránea, deberá dotar de aire necesario en calidad y cantidad, para mantener los agentes químicos dentro de los Límites Máximo Permisibles que dispone el Art. 103° y 104° del mismo Reglamento, cumpliendo simultáneamente con los siguientes: Al inicio de cada jornada se deberá verificar la ventilación y las condiciones de seguridad del área de trabajo. En todas la labores subterráneas se mantendrá una circulación de aire limpio y fresco con caudal suficientes, que satisfaga las necesidades para el número de personas, el total de HPs de los equipos con motores de combustión interna, así como para la dilución de los gases que permitan contar en el ambiente de trabajo con un mínimo de 19.5% de oxígeno. Cuando las minas se encuentren hasta 1500 m.s.n.m., la cantidad mínima de aire necesaria por hombre en los lugares de trabajo será de 3 m 3/min (106 ft3/min). En otras altitudes la cantidad de aire será de acuerdo con la siguiente escala: 1. De 1500 a 3000 m.s.n.m aumentará en 40% y será igual a 4 m 3/min (150 ft3/min). 2. De 3000 a 4000 m.s.n.m aumentará en 70% y será igual a 5 m3/min (180 ft3/min). 3. Sobre los 4000 m.s.n.m aumentará en 100% y será igual a 6 m3/min (212 ft3/min). 4. En las minas de carbón, la cantidad mínima de aire por hombre deberá ser de 4.5 m3/min hasta 1500 m.s.n.m. Para diferentes altitudes se aumentará en el mismo porcentaje de 40%, 70% y 100% que el anterior Art. 5. En el caso de emplearse equipos diesel, la cantidad de aire circulante no será menor de 3 m3/min por cada HP que desarrollen los equipos. En ningún caso la velocidad del aire será menor de 20 m/min ni superior a 250 m/min en las labores de explotación incluido el desarrollo, preparación y en todo lugar donde haya

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personal trabajando. Cuando se emplee explosivo ANFO u otros agentes de voladura, la velocidad del aire no será menor de 25 m/min. Cuando la ventilación natural no fuera capaz de cumplir con las exigencias de ventilación de labores subterráneas, deberá emplearse ventilación mecánica, instalando ventiladores principales, secundarios o auxiliares, según las necesidades. 1.4 LOS AGENTES CONTAMINANTES. Los agentes contaminantes presentes en las minas subterráneas se clasifican en: - Agentes gaseosos. - Agentes sólidos nocivos. 1.4.1 LOS AGENTES GASEOSOS. Los gases presentes en las minas se generan por el uso de explosivos en la voladura, desprendimiento de gases ocluidos en las rocas, por la circulación de los equipos diesel como: locomotoras, camiones, cargadores frontales, etc. y por la respiración humana; estos gases contaminan el ambiente subterráneo. Solamente con fines académicos podemos diferenciar que los diferentes gases tóxicos provienen de 2 fuentes: Natural, que se encuentran generalmente en las minas de carbón y son gases ocluidos sumamente venenosos, explosivos y sofocantes. Estos gases producidos de manera natural normalmente son características de las minas no metálicas, siendo muy restringido o nulos en minas metálicas. Artificial, son generados como resultado de las actividades propias de la mina como son: la voladura, el uso de explosivos, el uso de los equipos diesel, etc. que también son igualmente venenosas. Los gases más frecuentes que se hallan en las minas del país son los siguientes: Dióxido de carbono (CO2), Monóxido de carbono (CO), Metano (NH4), Hidrógeno sulfurado (H2S), Gases nitrosos (NOx), Anhídrido sulfuroso (SO2) y los Aldehídos. Se impedirá cualquier acumulación de gases nocivos o la dilución exagerada de oxígeno, manteniendo las siguientes proporciones volumétricas debajo de los Límites Máximos Permisibles medidos en el punto de emisión, tal como señala el Art. 86° del Reglamento: a) Polvo inhalable: 10 mg/m3.(*) b) Polvo respirable: 3 mg/m3.(*) c) Oxígeno (O2) mínimo: 19.5%. d) Dióxido de carbono (CO2) máximo: 0.5% = 5000 ppm ó 9000 mg/m3. e) Monóxido de carbono (CO) máximo: 0.0025% = 25 ppm ó 29 mg/m3. f) Metano (NH4) máximo: 0.5% = 5000 ppm. g) Hidrógeno sulfurado (H2S) máximo: 0.001% = 10 ppm ó 14 mg/m3. h) Gases nitrosos (NOx) máximo: NO2 0.0003% = 3 ppm; NO = 25 ppm. i) Anhídrido sulfuroso (SO2) máximo: 0.0002% = 2 ppm. j) Aldehídos máximo: 0.0005% = 5 ppm. k) Hidrógeno (H) máximo: 0.5% = 5000 ppm. l) Ozono máximo: 0.1 ppm. (*) Este valor es para la materia particulada inhalable (total) que no contenga amianto con menos del 1% de sílice cristalina.

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CLASIFICACIÓN DE LOS GASES DE LA MINA POR SUS EFECTOS. Todos los gases de la mina se clasifican en 3 grandes grupos, de acuerdo a sus efectos biológicos y explosivos: 1.- GASES IRRITANTES, llamados también gases corrosivos, son aquellos que causan daño a los pulmones y a los tejidos de todas las vías del aparato respiratorio, quedando los trabajadores víctimas prácticamente incapacitados, si todavía pueden tener vida; estos gases son: - Óxidos nitrosos (NOx) - Anhídrido sulfuroso (SO2). - Hidrógeno sulfurado (H2S). 2.- GASES ASFIXIANTES, son aquellos gases que tienen la propiedad de producir anoxia (Interferencia de la utilización adecuada del oxígeno por nuestro organismo). Estos gases no causan particularmente daño a los pulmones y a los tejidos de las vías respiratorias; por eso los trabajadores víctimas de estos gases, cuando son retirados lo más rápido posible al ambiente de aire fresco, pueden recuperar su salud normalmente y constituirse después a su trabajo habitual. Estos gases son los siguientes: - Monóxido de carbono (CO). - Nitrógeno (N2). - Metano (NH4). - Dióxido de carbono (CO2). - Hidrógeno (H). 3.- GASES EXPLOSIVOS, son algunos de los gases mencionados que cuando llegan a una mayor concentración pueden producir una explosión ante la presencia de una chispa, causando grandes daños en las instalaciones y el personal. Entre estos gases tenemos: - Metano (NH4). - Ácido sulfhídrico ó Hidrógeno sulfurado (H2S), cuando la concentración varia de 4.5% a 85%. - Monóxido de carbono (CO), cuando la concentración varía de 12% a 75% y siempre que exista suficiente oxígeno. Es necesario conocer el origen y las características de estos gases, para tomar las medidas preventivas durante el proceso de la explotación de yacimientos minerales. a) EL OXÍGENO (O2). Es un gas en estado natural sumamente importante para mantener la vida y la combustión. Es incoloro, inodoro e insípido; ligeramente más pesado que el aire y es el gas más útil entre todos los que se pueden encontrar en la atmósfera. El oxígeno del aire al ingresar a los pulmones es absorbido por los glóbulos rojos en el entramado pulmonar y transportado por ellos a todas las partes del cuerpo; en nuestro cuerpo el O2 con el carbono de las sustancias grasas, produce la combustión y el calor en forma de energía que mantiene la temperatura del cuerpo y con ella la vida; como consecuencia de esta combustión se produce el CO2 el cual es eliminado del cuerpo por la exhalación. La cantidad del aire inhalado y el consumo de oxígeno varían con el trabajo realizado y la constitución física de cada trabajador.

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DEFICIENCIA DE OXIGENO Es la disminución del % de oxígeno del 20.95% que tiene el aire al nivel del mar y se va reduciendo a 19.5% que es el límite mínimo permitido a cualquier altura para vivir y trabajar; la deficiencia de oxígeno tiene el efecto de "soroche". Si continua bajando hasta 16% los efectos en el cuerpo humano se manifiesta con dolor de cabeza, desgano, sueño, agitación frecuente o zumbidos en los oídos; si aún continua bajando hasta 12% y la exposición es prolongada, el efecto se expresa en la pérdida total del conocimiento; al 7% de oxígeno es peligro de muerte y al 6% se manifiesta con movimientos convulsivos y muerte. En cualquier caso de deficiencia de oxígeno en mina, el tratamiento del paciente es sacarlos al aire limpio, proveerlo de oxígeno, abrigarlo y hacerle la respiración boca a boca o bajarlo a una altitud inferior. Las causas de la deficiencia de oxígeno en el subsuelo son: - Pérdida de oxígeno del aire por oxidación de minerales o el consumo por materia orgánica. - Pérdida de oxígeno por combustión o calor (esto sucede cuando ocurre explosiones, incendios, disparos o emanaciones de gases de estratos rocosos). - Pérdida de oxígeno por el consumo de personas (por respiración) y máquinas. Estas deficiencias se producen en lugares cerrados y mal ventilados. LA DETECCION DEL OXIGENO. El hombre respira y trabaja mejor cuando el contenido de oxígeno se mantiene aproximadamente en 20.95%. La llama de una vela y de un fósforo se apaga cuando el contenido de O2 baja del 16%; mientras una lámpara de carburo se apaga cuando el % de oxígeno baja de 12% y la víctima sufre la pérdida de conocimiento. Como regla de seguridad, se recomienda no ingresar a zonas donde la llama de un fósforo se apaga. Este método no es recomendable donde existen gases explosivos. Hoy en día este gas se detecta mediante detectores eléctricos o electrónicos o detectores múltiples que detectan simultáneamente O2, CO2, CO y metano, indicando con alarmas audibles de primero, segundo y tercer sonido cuando las concentraciones van aumentando, observándose en el aparato que el CO 2 va incrementándose y el O2 va bajando. Toda compañía que se precia de prevenir muertes por contaminantes gaseosos deben contar con este tipo de detectores múltiples. En cambio cuando se detecta con detectores de tubos, toma tiempo detectar gas por gas y los técnicos que reconocen en las labores abandonadas pueden ya estar inhalando otros gases. APARATOS DE RESPIRACION DE OXIGENO: - Equipo de oxígeno DRAGER OXY-SR 45, para trabajar un período de más o menos 20 min. Es un equipo con reserva de oxígeno comprimido y regeneración del aire exhalado. - Aparato MCCAA de 2 horas de respiración de oxígeno completo, fue diseñado por BUREAU de Minas USA. El aparato proporciona 5 lbs de O2 /min.

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b) MONÓXIDO DE CARBONO (CO). Comúnmente llamado “white damp” (humedad blanca) o stone damp (humedad de piedra), es un gas de alta toxicidad que unido a su falta de sabor, color y olor, se convierte en uno de los gases más peligrosas e insidiosa de la mina, causante del 90% de los accidentes fatales y de las intoxicaciones más frecuentes ocurridos en las minas. Es un gas ligeramente más liviano que el aire por su gravedad específica de 0.967, se mezcla fácilmente en una corriente de aire, al quemarse tiene una llama azul, es explosivo en concentraciones entre 12% a 75% y es ligeramente soluble en el agua. El peligro sobre el cuerpo humano se debe a que la hemoglobina de la sangre tiene 300 veces más preferencia por CO que por el O2, y al combinarse forma en el torrente sanguíneo un compuesto llamado carboxihemoglobina (CO.Hb), que anula la capacidad de la sangre de absorber y transmitir el oxígeno por todos los tejidos del cuerpo; por eso, pequeñas concentraciones de CO son peligrosas porque genera la formación de ese compuesto. La velocidad de reacciones fisiológicas al CO depende de los siguientes factores: a) Concentración de CO en el aire. b) Tiempo de exposición. c) La tasa de ventilación pulmonar que depende del grado de actividad física del individuo. Cuando el individuo se encuentra en actividad alcanza el mismo grado de saturación pero en menor tiempo, que cuando está en reposo que sería a mayor tiempo. Los síntomas fisiológicos por la presencia de CO.Hb en la sangre surgen debido a la falta de oxígeno a órganos vitales, especialmente en el cerebro y el corazón; de acuerdo a las experiencias de Bureau of Mines de EE.UU, los síntomas que se presentan son: % De saturación de la Síntomas sangre por CO.Hb 5-10 Posible pérdida leve de la concentración 10-20 (0.02% de CO) Tensión en la frente, posible dolor de cabeza Fuerte dolor de cabeza, decaimiento, oscurecimiento de la 40-50 (0.04 a 0.12% de CO) vista, nausea, vómitos, posible colapso. 70-80 (0.20% de CO) Pulso débil, respiración baja, muerte. Por eso el límite máximo permisible de la presencia de CO en ambiente subterráneo es 0.0025%. Si se expone a altas concentraciones, la persona prácticamente no experimentará ninguno de los síntomas señalados y puede fallecer instantáneamente, igualmente los síntomas se reducen en número con el incremento de saturación. Debido al color rojo brillante de CO.Hb, los efectos de intoxicación en las víctimas son muy visibles, poniéndose los labios de color carmín, la cara enrojecida y el cuerpo rojo. Estos gases son originados por los trabajos de voladura con explosivos, los incendios subterráneos, las explosiones, los motores de combustión interna de los equipos de inyección a petróleo que no tienen PTX y/o están mal regulados y la combustión

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espontánea e incompleta de sustancias carbonosas. Es frecuente encontrar la acumulación de estos gases en los frentes ciegos de labores mineras ascendentes como: chimeneas, cruceros, inclinados. TRATAMIENTO DE MONÓXIDO DE CARBONO. a) En cualquier caso, la víctima debe ser sacado en camilla al aire fresco, tan pronto como sea posible. b) Si la respiración ha cesado, es débil, o intermitente, debe iniciarse inmediatamente la respiración artificial hasta que la respiración normal se ha iniciado. c) La circulación de la sangre debe ser facilitada frotando las piernas del paciente hacia el corazón. d) Mantener el calor del paciente con frazadas, telas, botellas de agua caliente. e) Dar espíritu de amoniaco por inhalación si está inconsciente. f) istrar “carbógeno” (mezcla de 5% de CO2 y 95% de O2). g) Otro tratamiento satisfactorio por envenenamiento con CO es el uso del azul de metileno. Esta droga es inyectada en forma intravenosa y sólo puede ser istrado por el médico. h) Las víctimas que se recuperan del CO, deben mantenerse bajo observación por el médico por lo menos 72 horas. LA DETECCIÓN DEL CO. 1.- Como es un gas que se mezcla fácilmente con el aire y no presenta una separación apreciable como el N y CO2, no hay medios para detectar el CO en la mina, no puede ser detectado por las lámparas de carburo y el fósforo. 2.- Anteriormente se detectaba usando canarios y ratones que son animales muy sensibles a los efectos de bajas concentraciones de CO lo que al cuerpo humano no le afecta. 3.- Existen detectores químicos para obtener análisis directos de aire, así tenemos: detectores colorimétricos de COMSA, que es un instrumento altamente sensible y capaz de indicar concentraciones muy bajas de CO en un rango de 0.001 a 0.1% en el aire. Estos detectores son prácticamente obsoletos. 4.- Detectores múltiples y detectores electrónicos, que son equipos que tienen avisos audibles de primer, segundo y tercer riesgo que indican concentraciones máximas y peligrosas. c) EL NITROGENO N2 El nitrógeno presente en el aire y en algunos estratos de roca, es un gas inerte, incoloro, inodoro e insípido; no es venenoso (inocuo) y no sostiene la vida ni la combustión. Cuando se encuentra en proporción señalada en el aire natural, su acción es diluir el oxígeno. Es más liviano que el aire con gravedad específica de 0.971. Cuando se encuentra mezclado con oxígeno del aire por debajo del 16% o el nitrógeno es puro apaga la llama de las lámparas y puede causar la muerte por sofocamiento cuando el porcentaje de nitrógeno pasa de 88%.

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El nitrógeno se origina por desprendimiento de estratos de roca en algunas minas y por el consumo de oxígeno del aire por alguna forma de combustión, especialmente la combustión de explosivos. Tratamiento, consiste en sacar al paciente al aire fresco, istrar la respiración artificial, si la respiración es suspendida o intermitente, conservar al paciente abrigado., activar la circulación de la sangre frotando los con dirección al corazón. Si la víctima esta inconsciente dar espíritu de amoniaco por inhalación. El paciente que se recupera de la asfixia por nitrógeno no tiene efectos posteriores. d) ANHIDRIDO CARBÓNICO (CO2) Comúnmente llamado “Blak damp”, es un gas incoloro, inodoro, con un sabor ligeramente ácido cuando se encuentra en concentraciones mayores, es soluble en agua. No es altamente tóxico, pero ocasiona molestias respiratorias y produce asfixia por falta de oxígeno. No es comburente (no favorece la combustión). Es 1.5 veces más pesado que el aire (p.e. = 1.529); por lo este gas se acumula por deficiente ventilación al ras del piso de las galerías, niveles más profundos, sobre todo después de los días de descanso; pero basta un ligero movimiento para diluirlo en el aire. Es un gas inerte por lo que se utiliza como insumo de los equipos extintores para combatir incendios. Los efectos fisiológicos son análogos a los que se experimentan en una atmósfera enrarecida en oxígeno, se decir, dificultad respiratoria, angustia, sensación de asfixia y finalmente pérdida de conocimiento, así tenemos algunas investigaciones del efecto del CO2 en una persona:  0.5% por volumen en el aire normal, causa un ligero aumento en la ventilación de los pulmones y se respira más aprisa.  2% - 3% produce dificultad en la respiración y requiere 50% de ventilación de los pulmones.  5% - 6% causa palpitaciones y la ventilación de los pulmones aumentará en un 300%, haciendo que la respiración sea fatigosa.  6% es peligroso  15% de CO2 es fatal en la mayoría de los casos. El límite máximo permisible para este gas es 0.5%. Este gas se origina en las minas subterráneas por la putrefacción de la madera, descomposición de rocas carbonatadas por aguas ácidas, trabajos con explosivos y por combustión. TRATAMIENTO DE DIOXIDO DE CARBONO. El paciente debe ser sacado al aire fresco lo más pronto posible, istrar la respiración artificial, conservar al paciente abrigado todo el tiempo. Los pacientes que se recuperan por la sofocación del CO2 generalmente no tienen otro efecto posterior que un fuerte dolor de cabeza y nauseas.

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LA DETECCIÓN DEL CO2. Al igual que el nitrógeno no mantiene combustión, entonces la llama de una vela, un fósforo o una lámpara de seguridad son medios excelentes para detectar la presencia de CO2. Existen detectores colorimétricos de CO2 de MSA, que es un instrumento altamente sensible y capaz de indicar concentraciones muy bajas; sin embargo estos detectores ya están siendo obsoletos. Detectores múltiples y detectores electrónicos, que son equipos que tienen avisos audibles de primer, segundo y tercer riesgo que indican concentraciones máximas y peligrosas. e) ÁCIDO SULFHÍDRICO (H2S). El ácido sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno, es un gas altamente tóxico, pero fácilmente detectada por su olor característico a huevo podrido, por lo que es llamado comúnmente como gas apestoso "stick damp". Por desgracia este gas tiene un efecto narcótico que produce una paralización de los nervios olfatorios, por lo que en una breve exposición ya no se puede confiar en el sentido del olfato. Este gas irrita las mucosas de las vías respiratorias y de los ojos, por ser fácilmente soluble en el agua. Es inflamable que puede arder fácilmente formando mezclas explosivas cuando su concentración sobrepasa el 4.5%; es más pesado que el aire con gravedad específica de 1.191. La acción tóxica de este gas varía según su concentración:  0.001% Concentración permisible para 8 horas de exposición  0.02% Concentración peligrosa después de una hora de exposición.  0.04% Extremadamente peligroso después de 30 minutos.  0.1% Muerte instantánea. En la víctima se observa una pigmentación ligeramente verdosa. Este gas se origina en las minas por el proceso de putrefacción de sustancias orgánicas (maderas de entibación), por descomposición de minerales sulfurosos (piritas) por acción de los ácidos o por calentamiento de minerales sulfurosos, emanación de gases de las grietas y puede producirse en el gas natural o en las reservas de petróleo. También puede ser generado en los incendios, en tales casos, el azufre libre puede ser depositado por la oxidación parcial del gas.

En abundante suministro de aire, el sulfuro de hidrógeno se quema con una llama de color azul brillante para producir dióxido de azufre.

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TRATAMIENTO DE H2S: Es el mismo que para el CO, inmediata oxigenación del paciente, los ojos deben ser cubiertos con una compresa húmeda para prevenir el efecto de la luz, porque han quedado lesionados por el ácido. En todos los casos de envenenamiento con H2S debe ser enviado al Centro de Salud más cercano, y bajo observación médica, mínimo las 24 horas. LA DETECCIÓN DEL H2S: Por ser extremadamente venenoso, los instrumentos deben ser altamente sensibles, porque sólo el 0.01% es suficiente para causar la muerte por respiración de este gas. Su olor característico no debe confiarse del olfato, porque este gas tiende a destruir el sentido del olfato que hace creer a la persona que el peligro ha pasado, cuando en realidad la concentración puede haberse elevado. Por esta razón, es recomendable que cuando se descubre la presencia de H2S, la zona debe ser inmediatamente abandonada y reportarlo al momento. Existen detectores colorimétricos de MSA, detectores digitales altamente sensibles, detectores electrónicos. En cualquiera de los casos, debe procederse siempre empleando aparatos de protección respiratoria. f) OXIDOS DE NITRÓGENO O VAPORES NITROSOS (NO, N2O, NO2) Son gases incoloros en concentraciones bajas y de color pardo rojizo y de sabor amargo cuando las concentraciones son altas, tiene olor irritante, se disuelve fácilmente en el agua para formar los ácidos, nitroso (HNO2) y nítrico (HNO3). Es más pesado que el aire con gravedad específica de 1.58. Son gases sumamente tóxicos y peligrosos para la vida, cuya acción tóxica la ejerce en los ojos y en las vías respiratorias, especialmente en los pulmones. El dióxido de nitrógeno en presencia de la humedad del cuerpo forman los ácidos mencionados que corroen los tejidos; este efecto peligroso se agrava porque el envenenamiento no se manifiesta de inmediato, sino la muerte sobreviene después de 4 a 48 horas de haber sido aspirado.

Los síntomas progresivos y efectos tóxicos de los vapores nitrosos en el organismo, son las siguientes: Concentración de dióxido % de Efectos de nitrógeno (NO2) en NO2 ppm Máxima concentración posible para exposición 3* 0.0003 prolongada* 40 0.004 Puede ser detectado por el olfato. 60 0.006 Irritación leve de la garganta** 100 0.01 La tos puede comenzar. 150 0.015 Molestia severa, puede causar neumonía después. ≥ 200 0.02 Probabilidad de ser fatal y en corta exposición

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* Según el Reglamente de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería. ** El peligro de este gas, es que tiene comportamiento engañoso respecto a su toxicidad, pues una persona que lo respira puede rehacerse aparentemente y después de varias horas o días morir repentinamente. Tres gases de óxidos de nitrógeno (Óxido nítrico NO, óxido nitroso N2O, dióxido de nitrógeno NO2) son originados normalmente por empleo de los explosivos como consecuencia de una detonación débil, especialmente cuando se utiliza el ANFO y por combustión de motores diesel. Inmediatamente de la detonación, el óxido nítrico (NO) se convierte en dióxido de nitrógeno (NO2) en presencia de aire y vapor de agua.

El dióxido de nitrógeno es el gas más tóxico de todos los óxidos de nitrógeno que tienen efectos fisiológicos en el organismo, también es probable que se mezcla con un gas acompañante de tetróxido de nitrógeno, N2O4, que tiene similares efectos fisiológicos. Mientras la proporción del óxido nitroso es probable que sea pequeño. Es frecuente encontrar la acumulación de estos gases en las partes bajas de las labores subterráneas. TRATAMIENTO DE LOS OXIDOS DE NITRÓGENO. El tratamiento inmediato por envenenamiento con este gas es similar al dióxido de azufre, es decir, conducirlo inmediatamente al hospital para la istración de oxígeno, la inmovilidad del paciente y darle calor. Para evitar el envenenamiento por estos gases no se debe entrar a las labores antes de que estos hayan sido totalmente aireados; es imprescindible regar el tajeo y los escombros después de la voladura y ventilar intensamente los tajeos en operación. LA DETECCIÓN DE ÓXIDOS NITROSOS. 1.- Como son gases de color rojizo y marrón, de olor irritante y sabor amargo son percibidos fácilmente por la vista y el olfato, entonces la labor debe ser abandonado inmediatamente. 2.- Existen detectores químicos y electrónicos que permiten detectar fácilmente la presencia de estos gases. g) ANHIDRIDO SULFUROSO O DIÓXIDO DE AZIFRE (SO2) Es otro de los gases de la mina muy tóxico, pero afortunadamente se puede detectar, en muy bajas concentraciones, por su singular sabor ácido (“picante”) como por la sensación de ardor intenso e irritante que causa a los ojos y las vías respiratorias (nariz y garganta). Este último efecto es debido a la alta solubilidad del gas en el agua para formar el ácido sulfuroso. Estos, a su vez, pueden oxidar a ácido sulfúrico, H2SO4. Aunque el dióxido de azufre es un gas incoloro, que puede ser visto como humo blanco debido a la condensación del vapor de agua ácida o rastros de trióxido de azufre SO3; es 2.2 veces más pesado que el aire, con gravedad específica de 2.26. No es combustible ni mantiene la combustión. Algunas investigaciones muestran la acción tóxica de este gas, en el siguiente cuadro:

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Concentración de dióxido de azufre en ppm 2 ppm* 1 3 20 50

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Efectos

Máximo permisible para 8 horas de trabajo Sabor ácido y causa irritación de la nariz y la garganta Detectable por el olor. Irritación de ojos y el sistema respiratorio Sensación de ardor severo en los ojos, la nariz y la garganta Es imposible respirar y peligroso que puede causar muerte 400 inmediato. * De acuerdo al Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería. Sin embargo es necesario tomar en cuenta, que sólo en pequeñas cantidades de SO 2 en el aire puede causar la muerte, como por ejemplo 0.05%. Este gas es generado por los motores de combustión interna y por la oxidación de los sulfuros, por ejemplo: Mineral de Blenda: O mineral de pirita: Estas y otras reacciones similares ocurrirán cuando los minerales de sulfuro se calientan en el fuego o por combustión espontánea. Estas reacciones son los que ocurren en la voladura de rocas con explosivos en menas sulfurosas (minas con grandes cantidades de pirita y pirrotita genera un ambiente muy caliente), en minerales con alto contenido de azufre nativo, en los incendios subterráneos en minas que tienen alto contenido de sulfuros. Por ejemplo, en la Mina de Cerro de Pasco, este gas se encontraba normalmente durante el proceso productivo y después de los incendios. TRATAMIENTO DE SO2. La asfixia con SO2 es similar a los casos de intoxicación con los óxidos nitrosos, por lo que los servicios a nivel de primeros auxilios consiste en la istración de oxígeno, la inmovilidad y darle calor; evacuar a las víctimas para que estén bajo la observación médica. LA DETECCIÓN DE SO2. 1.- Es fácil detectar la presencia de este gas por el sentido del olfato, porque es un gas irritante con fuerte olor repugnante y es intolerable permanecer y respirar antes que este gas alcance concentraciones peligrosas. 2.- Existen detectores Dragüer y los detectores electrónicos que permiten lecturas directas e inmediatas de la presencia de este gas. h) METANO CH4. Es un gas incoloro, inodoro e insípido, sofocante y no venenoso. Lo denominan comúnmente "gas de los pantanos", grisú ó "Fire Damp" ó "gas Marsh". El mayor peligro de este gas reside en su combustibilidad y explosividad, así cuando forman mezclas explosivas con el aire hasta 5% arde con una llama azul y por encima de este porcentaje

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hasta 15% es altamente explosivo. Por su ligero peso de 0.554 se acumula fácilmente en labores subterráneas altas. El metano se encuentra en forma natural en los mantos de carbón, en las rocas que contienen materia orgánica ó puede ser generado por la descomposición de sustancias vegetales sin de O2. Los sistemas de desagüe de las ciudades son lugares donde se puede encuentrar este gas. Es raro encontrarlos en las minas metálicas. TRATAMIENTO DE CH4. Los pacientes con síntomas de asfixia por metano deben ser evacuados al aire fresco. Si ha cesado la respiración, proporcionar la respiración artificial. Los pacientes no registran efectos posteriores y pueden recuperarse normalmente. Si la concentración alcanza 2.5% los trabajadores deben retirarse; y cuando excede el 1% deben aislar los circuitos eléctricos y no deben realizar las voladuras. En lugares donde se sospecha la presencia de metano deben evitar cualquier riesgo mediante una adecuada ventilación. LA DETECCIÓN DE CH4. Los métodos aceptados son: 1.- Lámpara de flama de seguridad (reverberancia de llama), así como lámparas de Wolf y Koeher, que sólo detectan concentraciones mayores de 1%. Estas son las únicas permitidas en una atmósfera de metano y aprobado por Bureau de Mines de los EE.UU. 2.- Detectores electrónicos que detectan con exactitud porcentajes tan bajos como 0.1%. GAS GRISÚ. Es una mezcla de metano (CH4), anhídrido carbónico (CO2) y nitrógeno (N2), (a veces Co, H2, H2S, SO2, etc.). Es un gas incoloro y en general inodoro. No es tóxico, es mucho más ligero que el aire. Puede ser suficiente una chispa para ocasionar la catástrofe. Es un gas combustible que se desprende de yacimientos orgánicos como el carbón, la potasa y las pizarras bituminosas. El grisú contiene generalmente del 95% al 100% de metano. LOS ALDEHIDOS. Son producidos por la combustión del gas-oil en los motores diesel, es ligeramente más pesado que el aire; es incoloro, irritante, de sabor agrio y son gases altamente tóxicos. Su concentración máxima permisible es de 0.0005% = 5 ppm. GAS DE ROCA (ROCK GAS). En algunas minas metálicas los estratos de roca, dentro de la mina emanan "gases de roca" ocluidos, que principalmente están compuestos de N2 y CO2 de alta concentración y con deficiencia de oxígeno para causar la muerte por sofocación. Por estos gases muchos trabajadores han sido atrapados, causando accidentes fatales. La presencia de un gas similar se ha encontrado en la mina de Cerro de Pasco Centromin-Perú.

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VOLUMEN DE LOS GASES PRODUCIDOS POR LOS EXPLOSIVOS. Los explosivos comerciales utilizados en los disparos, a pesar que deben ser fabricados para ser inocuos después de su uso, producen vapor de agua, deficiencia de oxígeno y los diferentes gases como CO, CO2, NO-NO2, este último se produce en muy poco volumen cuando se trata de dinamitas, y eventualmente gases sulfurosos (H 2S – SO2 y AlO2) si en su composición contiene azufre y aluminio. El volumen de los gases que producen las dinamitas son de 880 a 920 litros/kg de dinamita, que equivale a 32.5 ft3/Kg ó 0.92 m3/Kg. El ANFO produce 34 ft3/Kg y el examón 27 ft3/Kg. Pero en la práctica, en una explosión de ensayo en la “bomba Bichel” se produce 0.16 ft3 de CO por cartucho de 1 ¼” x 8” (200gr) con envoltura de papel. De acuerdo a la proporción contenida de estos gases tóxicos o letales llamados en conjunto “humos”, se han establecido escalas de clasificación por grado de toxicidad para la exposición del trabajador después del disparo, según el Bureau de Mines de los EE.UU, y aceptada por el Instituto de fabricantes de Explosivos y otras instituciones:

CATEGORÍA 1ra Categoría (A) 2da Categoría (B) 3ra Categoría (C)

VOLUMEN DE GASES NOCIVOS CO – NO2 De 0 a 0.16 ft3 de CO + NO2 por cartucho de 1 ¼” x 8” De 0.16 a 0.33 ft3 de CO + NO2 por cartucho de 1 ¼” x 8” De 0.33 a 0.67 ft3 de CO + NO2 por cartucho de 1 ¼” x 8”

Cuya equivalencia métrica según el ISO es: 1ra Categoría (A) De 0 a 4.53 dm3 2da Categoría (B) De 4.53 a 9.34 dm3 3ra Categoría (C) De 9.34 a 18.96 dm3 Ejemplo: En una mina, el explosivo común que utilizan es ANFO con categoría de humos 2da ¿Cuánto es el volumen del gas tóxico por 1 Kg de ANFO? Solución. Según la tabla 0.33 ft3 d e gas tóxicos se produce es por 200 gr., entonces: 0.33 ft3……………….. 200 gr. X …………………… 1000 gr. 0.33x1000 gr  1.65 ft3 = 46.723 lts/Kg de ANFO X= 200 gr Según esta categorización del USBM, los explosivos de 1ra categoría pueden ser empleados en cualquier labor subterránea, los de 2da categoría sólo en los lugares garantizados con una buena ventilación y los de 3ra categoría sólo se usan en superficie. El explosivo ANFO es más tóxico que las dinamitas y emulsiones, porque generan mayor proporción de óxidos de nitrógeno que son altamente peligrosos; por esta razón, cuando se usa estos explosivos es obligatorio planificar previamente una ventilación mecánica.

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El balance de oxígeno en un explosivo debe ser siempre positivo, dentro del margen de seguridad de +2 a +5 como tope, buscando un promedio de +2 a +3 como ideal. Si es mayor a estos márgenes se formará óxidos de NO y NO2, si es menor se formará el CO. Para el control de estos gases, se llevan a cabo muestreos permanentes en diferentes lugares de trabajo mediante los aparatos y con personal especializado como Ingenieros de ventilación, para luego tomar medidas de cómo deberían mejorarse el sistema general de ventilación de la mina. 1.4.2 LOS AGENTES SÓLIDOS NOCIVOS El polvo es otro de los agentes contaminantes del ambiente de trabajo subterráneo, cuya peligrosidad es quizás mayor que la de los gases, aunque en este caso, el peligro de muerte es menos probable o al menos no es tan fulminante como ocurre con los contaminantes gaseosos. Estas partículas son: el POLVO y el HOLLÍN, cuyas fuentes de producción son el abatimiento del mineral y los motores de combustión interna respectivamente.

EL POLVO EN LAS MINAS. Son partículas sólidas muy finas generados por acción mecánica, en las diferentes etapas de minado y beneficio de los minerales, tales fuentes generadoras son: la perforación, los disparos, el acarreo, transporte, chancado y molienda. Estas pequeñas partículas se mantienen en flotación en el aire durante buen tiempo antes de asentarse; en otros casos son diluidas o transportadas mediante el aire de ventilación. Los polvos de la mina crean condiciones de falta de visibilidad, riesgo de accidentabilidad, deterioran los equipos, los bronquios y los pulmones de los trabajadores, y es la causa de una serie de enfermedades profesionales y de explosiones, dependiendo del tamaño de las partículas, composición química y tiempo de exposición. El tamaño de las partículas de polvo son generalmente menores de 100 micras, siendo las más importantes desde el punto de vista higiénico aquellos menores de 10 micras (0.01mm de diámetro como polvos de sílice, carbón, hierro y otros), que constituyen un peligro para la salud de todos los trabajadores porque el polvo atraviesa todas las vías respiratorias hasta alojarse en los pulmones ocasionando daños; mientras los de mayor tamaño que los de 10 micras van quedando en las fosas nasales o bronquios. Los polvos son visibles con el haz de luz de nuestras lámparas eléctricas. Se distinguen: i) Los polvos tóxicos, son provenientes de los minerales de Cu, Hg, As, Pb, Sb. j) Polvos radioactivos, provienen de la explotación de minerales atómicos como: Uranio (uranita) k) Polvos combustibles, provienen de la explotación del carbón. l) Polvos productores de enfermedades ocupacionales son: la sílice, el carbón. Cualquiera que fuese la naturaleza de los polvos, éstos provocan molestias respiratorias cuando se inhala el aire contaminado en un tiempo prolongado; pero, para el organismo humano es sumamente peligroso el polvo que contiene sustancias tóxicas.

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El Reglamento de Seguridad e Higiene Minera exige que la concentración promedio de polvo respirable en la atmósfera de la mina, a la cual está expuesto el trabajador, no sea mayor de 3 miligramos/m3 de aire. Esta concentración promedio debe ser determinada midiendo durante un periodo de 6 meses en cada una de las áreas de trabajo, indicando el número de partículas por m3 de aire, su tamaño y el porcentaje de sílice por m 3. También los polvos que no son tóxicos como los de sílice, cal, la hulla y otros, son nocivos porque al penetrar en los pulmones producen las enfermedades profesionales. La neumoconiosis, que viene hacer la retención de polvo en los pulmones sin especificar el carácter del daño en la función respiratoria, no indicando por tanto la presencia o ausencia de enfermedad. Las consecuencias nocivas de este grupo de neumoconiosis como enfermedad de los pulmones se llaman enfermedades profesionales, que es toda alteración de la salud que evoluciona en forma aguda o crónica, por el trabajo que desempeñan en medio de los agentes físicos, químicos o biológicos presentes en el ambiente de trabajo. El control de polvo se realiza mediante el agua que hace precipitar y una adecuada ventilación.

EL HOLLÍN. El hollín son partículas sólidas que resultan de la combustión interna de los equipos diesel. El Reglamentos de seguridad no contempla en forma explícita la emisión del HOLLÍN como agente contaminante sólido ni sus efectos para la salud; por lo que no es posible definir el grado de dilución obligatorio para el hollín. Sin embargo, la emisión del hollín actúa como soporte de otras sustancias nocivas, y producen elementos cancerígenos tales como el benzopireno. La proporción de hollín aumenta cuando la mezcla carburante /aire disminuye. Esto quiere decir que a plena carga y en el caso de aceleración del motor, la formación del hollín se incrementa. La aceleración repentina de un motor diesel provoca la inyección de gran cantidad de combustible que no tiene tiempo para quemarse, por lo que los gases de escape contendrán gran cantidad de productos no quemados. El control del hollín y la dilución de gases que expelen los equipos diesel es mediante el lavado de los gases de escape y un adecuado sistema de ventilación del área de trabajo; por eso, todas las labores subterráneas accesibles deben ser bien ventilados en armonía con las condiciones de tecnología empleada y las condiciones del yacimiento.

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CAPÍTULO II PROPIEDADES FÍSICAS Y OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL AIRE. 2.1 LEYES BÁSICAS QUE RIGEN EL FLUJO DE AIRE EN LAS MINAS. La Ventilación de minas es esencialmente la aplicación de los principios de dinámica de fluidos para el flujo de aire en las aberturas subterráneas, y el estudio de aire como fluido corresponde dentro del campo de la Teoría Circulatoria (Hidrodinámica y Aerodinámica), cuando se trata de los gases se denomina Aerodinámica. Las siguientes leyes de los gases (Ley de Boyle, ley de Gay - Lussac, ley de Dalton, Ley de Grahan), procedentes de la Química y Física elementales, son estrictamente correctos para los gases perfectos o para el gas ideal hipotético. El aire de la mina es una mezcla de gases y de vapor de agua, cuyo comportamiento se asemeja a los gases perfectos, por lo que los cálculos de sus propiedades físicas (Peso específico, presión, temperatura, volumen, etc.) se rigen por éstas leyes, y son lo suficientemente precisos para el aire normal de ventilación. También el aire de ventilación se encuentra en movimiento y raras veces en reposo, por lo que su comportamiento se rige por otro de los principios de la dinámica de fluidos como la ley de continuidad, ley de Bernoulli, etc. Estas Leyes básicas que rigen el comportamiento del aire son: LEY DE BOYLE’S Y MARIOTTE Boyle encontró en 1662, y Mariotte en 1676, que a temperatura constante, los volúmenes v1 y v2 de un mismo gas son inversamente proporcionales a las presiones absolutas P1 y P2 a que se le somete, (Para condiciones Isotérmicas): Para P1 > P2 y V1 > V2, la relación es: p1  = 2 = Constante; es decir, P1 x V1 = P2 x V2 = constante p2 1 También podemos mencionar, cuando w1 > w2: P1/P2 = w1/ w2 En el caso de aire normal, P es la presión absoluta o parcial del aire seco o vapor de agua, y v es un volumen o el volumen específico del aire seco o vapor de agua. Los alcances de esta Ley, podemos visualizar en interior mina, cuando percibimos que la mezcla de aire seco y vapor de agua están sometidas a la misma temperatura y a las presiones existentes que son la presión atmosférica y las presiones que pueden ser aplicados mediante los medios mecánicos, tales como un ventilador. Igualmente la presión es proporcional a la densidad del aire, porque ambos componentes están a la misma temperatura. Para cálculos, se considera que el aire normalizado tiene una densidad media de 1.2 kg/m3 (0.075 lb/ft3). (Debe adjuntar un gráfico para condiciones isotérmicas)

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LEY DE CHARLES’S Y GAY-LUSSAC Gay-Lussac halló en 1802, para todos los gases cuando la presión (P) es constante, el coeficiente de dilatación de un gas perfecto es una cantidad que es independiente de la naturaleza del gas y de su temperatura inicial. Es decir que por cada grado que aumente la temperatura de un gas, el volumen de éste, a presión constante, aumenta una cantidad constante de 1/273 de su volumen inicial (coeficiente de dilatación). De ésta se deduce que los “volúmenes o el volumen específico (V) de un gas son directamente proporcionales a las temperaturas absolutas (T), a presión constante: 1  = 1 = constante, o sea V/T = Constante; significa que el volumen V de un mol de gas 2 2 crece proporcionalmente a 273+t, cuyo cero se encuentra a – 273°C por debajo del punto de congelación del agua. También para v1 > v2 y w1 > w2, los volúmenes son inversamente proporcionales a sus pesos específicos:

 1 = 2, 1 2

Expresado alternativamente, a volumen constante, la “presión absoluta de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (T) y al peso específico”. 1 1 1   ; significa, al calentar un gas la presión P debe crecer proporcionalmente a T 2 2  2 = 273+t. 1  = 1 2 2 Si: T1 = 273°C T2 = T1 + t 2 = 1 x (1+ t/273) 2 = 1 x (1+ 0.00366 t)

LEY GENERAL DEL GAS (Combinado) La unión de las leyes de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac conducen a la llamada “Ecuación general de estado de los gases perfectos”, que expresa “El volumen o volumen específico de un gas varía directamente con la temperatura absoluta e inversamente con la presión absoluta”: Donde V0P0 es el volumen y presión de un gas a 0°C

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Que también puede expresarse por: P x  = R x T, Esta expresión recibe el nombre de ecuación de estado de los gases perfectos, que también se puede expresar como: 11 22 = cte. = R  1 T2 Donde “R” es una constante que depende únicamente de la clase del gas de que se trate y se llama “constante de los gases” T = 273 + t R = 29.27, para el aire seco (m/°K). En unidades del Sistema Internacional R = 47.1, para el vapor de agua. R = 53.35 en ft.lb/lb-masa.°R (J/Kg.°K).  = Volumen específico del gas en ft3/lb (m3/Kg) P = Presión absoluta en psf (KPa) En los cálculos involucra una mezcla de gases, P es presión parcial y R constante del gas para cualquier componente. También de esta ecuación general de los gases, podemos deducir una expresión matemática para determinar el peso específico del aire ( ): Si La ecuación general de los gases es: Px=RxT

Se

obtiene la ecuación para determinar el peso específico de gases y vapores:

LEY DE DALTON’S La presión total P ejercida por la mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales. Para el aire normal, la presión barométrica P b (total) es: Pb = P a + P v Donde: Pa = Presión parcial de aire seco Pv = Presión parcial de vapor de agua. 22


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En la mina podemos visualizar que una mezcla de gases (aire seco y vapor de agua) ejercen presión contra las paredes de las labores subterráneas y es igual a la suma de las presiones ejercidas por cada uno de ellos en el espacio subterráneo, e igual a la que ejercía uno cualquiera de ellos si llenase él solo el mismo espacio. Ejemplo: 1. La presión de vapor (Pv) en la mezcla de aire normal es 0.5 in.Hg (12.7 mm). Si la temperatura es 70°F (21.1°C) y la presión atmosférica es 29.9 in.Hg (759.5mm), calcular el volumen específico de aire seco en la mezcla. Solución: Pa = Pb – Pv = 29.9 – 0.5 = 29.4 in.Hg 53.35460  70 = 13.60 ft3/lb (0.8490 m3/Kg) RT a = = 29.40.491144 Pa 2. Calcular el peso específico normal del aire seco, asumiendo las condiciones normales. Solución:

El aire de la mina, es una mezcla de gases y vapor de agua cuyas propiedades físicas se acerca a los gases perfectos. 2.2 PESO ESPECÍFICO DEL AIRE Es el peso G del aire en unidad de volumen. G σ= , Kg. /m3 (2.1) V Donde: G = Peso, Kg.; V = Volumen, m3 Si se refiere a un gas cualquiera, el peso específico indica, cuántas veces un gas es más pesado o más liviano que el aire. El peso específico o la densidad del aire de un lugar está en función de las variables de: temperatura, presión barométrica y la humedad relativa. Por eso en ventilación de minas se utiliza el peso específico Standard = 1.2 Kg/m 3 (0.075 lb. /ft3) que es el peso de 1 m3 de aire, con la presión de 1 atm, a temperatura de 15°C y humedad de 60%. El peso específico del aire pueden ser determinados de tablas o pueden ser calculados, con las siguientes fórmulas: A) Para el aire seco: 1.327  x 460  t Donde: ω = Densidad, lb. /ft3. t = Temperatura del aire de bulbo seco, °F β = Presión barométrica en, pulg. de Hg. 460 = Conversión a T absoluta.

(2.2)

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También el peso específico del aire se puede calcular en unidades del sistema internacional, de acuerdo a la fórmula de A. Novitzky, pág. 140: 0.465P (2.3)  273  t Donde:  = Peso específico del aire en Kg/m3. P = Presión barométrica en, mmHg. t = Temperatura del aire en grados – Celsius B) Para el aire considerando la humedad del ambiente: Las dos fórmulas siguientes permiten hallar la densidad precisa del aire considerando la humedad del ambiente, y son: 1.



1.327   0.378 f  460  t

(2.4)

Donde: ω = Densidad, lb. /ft3. t = Temperatura del aire de bulbo seco, °F β = Presión barométrica en, pulg. de Hg. f = Presión de vapor en el punto de rocío, en pulg de Hg (según la tabla 3) 460 = Conversión a T absoluta. 2.

Según A. Novitzky tenemos: (2.5)

0.465P  0.176 PS  T

Donde:  = Peso específico del aire en Kg/m3. P = Presión barométrica en, mmHg. PS = Tensión de vapor saturado a temperatura dada en, mm Hg.  = Humedad relativa T = Temperatura absoluta (273 + °C.) 2.3 VOLUMEN ESPECÍFICO DEL AIRE. Es el volumen v en m3 ocupado por 1 Kg de aire a presión y temperatura dadas: v = 1/, m3/Kg 2.4 MOVIMIENTO DEL AIRE. Son muchos los ejemplos que muestran los dos tipos de movimiento que son: 1. Movimiento laminar. Es el movimiento lento del aire cuyas partículas se mueven paralelamente o en capas bien ordenadas sin poder mezclarse. 2. Movimiento turbulento. Es el movimiento del aire cuyas partículas comienzan a mezclarse entre sí con el aumenta de la velocidad, formando torbellinos y con una apariencia totalmente irregular.

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Estos movimientos de los fluidos fueron estudiados por Osborne Reynolds, determinando que el movimiento del aire depende del caudal, la velocidad, el diámetro del ducto y de su viscosidad. La viscosidad. Es el rozamiento interno por el desplazamiento recíproco de las partículas del fluido. También le viscosidad es aquella propiedad que determina la cantidad de resistencia opuesta a las fuerzas cortante. Por ejemplo: El agua tiene viscosidad escasa. Los aceites son viscosos. La viscosidad dinámica se puede determinar por: a) μaire = (17.0 + 0.045 t) x 10-6 Ns/m2 b) μagua = [64.72/(t + 31.766) – 0.2455] x 103 Ns/m2 Donde: t = temperatura en °C en el rango de 0°C a 60°C 1N = 1 Kg x 1 m/s2 Ns/m2 = 1 kg x 1 m/s2 x s/m2 = 1 kg/sm Número de Reynolds (Re):

Re ≤ 2500 (Flujo laminar) Re ≥ 2500 (Flujo turbulento) = Densidad aire, Kg/m3 = Viscosidad dinámica del aire, Ns/m2 = Dimensión fundamental del ducto, m = Velocidad, m/s 2.5 PSICROMETRÍA. La Psicrometría es la rama de la ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y sobre las condiciones del confort humano. En el proceso de ventilación de minas, el aire que ingresa en condiciones atmosféricas, a su paso va incorporando humedad y el calor del ambiente, haciendo que su densidad y la presión varían constantemente. En otros términos, el estudio de estos cambios que experimenta el aire con la humedad, temperatura y presión se denomina Psicrometría. 2.5.1 TEMPERATURA. La temperatura, físicamente es una magnitud escalar dada por una función creciente del grado de agitación de las partículas de los materiales, a mayor agitación mayor temperatura; también es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío, 25


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generalmente un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. En la escala microscópica, la temperatura se define como el promedio de la energía de los movimientos de una partícula individual por grado de libertad. En la mina, en las estaciones de control de ventilación, en labores críticas y calurosas se deben efectuar mediciones de temperatura. Los datos de temperatura que normalmente se usa para fines de ventilación son: Ts = temperatura seca. Th = temperatura húmeda y Tef = temperatura efectiva. La temperatura del aire se expresa en las minas, en grados Celsius (°C) o fahrenheit (°F) y a veces se usa las temperaturas absolutas. Para la temperatura normal en ventilación se toma 15a.C. Las escalas de temperatura se agrupan como: 1.- Escalas relativas : - Grados centígrados - Celsius - Grados Fahrenheit 2.- Escalas Absolutas : - Grados Kelvin - Grados Rankine. Las equivalencias y formas de conversión son: °C. °F °K °R Punto de ebullición del agua 100 212 373 672 Punto de congelación del agua 0 32 273 492 Cero absoluto 273 -460 0 0

C F  32 K  273 R  492    100 180 100 180 De los cuales se extrae las siguientes fórmulas de conversión más usadas: T(°K) = t(°C.) + 273 T(°R) = t(°F) + 460 Donde: t = temperatura en °C, °F T = temperatura en °K, °R Para la conversión de °C a °F y viceversa se usa la siguiente relación: 9 °F = C  32 5 5 °C = F  32 9 Expresión general:

Cuando la temperatura aumenta causa expansión en los gases y el aire, requiriendo más espacio para una cantidad de masa dada, pero decrece su densidad. Cuando la temperatura disminuye causa contracción en los gases y el aire, ocupando menos espacio pero aumenta su densidad. El coeficiente de expansión es: °C = 0.003663 °F = 0.002035 El coeficiente de expansión = coeficiente de contracción.

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En minas calurosas, el aire que circula a través de las labores subterráneas sufre un calentamiento progresivo a medida que se profundiza por efecto del gradiente geotérmico. Por este fenómeno la temperatura del aire se incrementa en orden de 1°C por cada 30 a 100 m de profundidad, que supone un incremento uniforme de temperatura; lo cual no es cierto, debido a las variaciones de conductividad de los diferentes tipos de roca; existen minas tan profundas donde reina altas temperaturas como otras donde no se percibe aumento de calor. Cuando el aire atmosférico recurre desde la superficie hacia el interior mina, se observa que tanto la presión como la temperatura aumentan sin que haya flujo de calor hacia el aire, éste se conoce como el fenómeno de auto compresión. Asimismo, es sabido que la eficiencia de un trabajador está relacionada en su mayor parte al ambiente en el que trabaja. Por eso es importante estudiar el comportamiento humano en un ambiente caliente, para lograr un grado de bienestar; para el cual se toma en cuenta las siguientes magnitudes:  La temperatura seca.  La humedad del aire, que puede ser caracterizado por la temperatura de bulbo húmedo y la presión barométrica  La velocidad del aire en o con el cuerpo humano, y  La radiación de las paredes subterráneas. Tres de estos factores han sido agrupados por la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción y Ventilación (American Society of Heating and Venttilating Engineers) para denominar la temperatura efectiva (Te), que es el resultado de la combinación de la temperatura del lugar, humedad relativa y la velocidad del aire, con los que se logra el grado de bienestar que experimenta el cuerpo humano en el ambiente de trabajo, esa Te debe ser igual o menor a 30°C. También varias combinaciones de t, HR y velocidad del aire pueden producir el mínimo valor de Te. La depresión del bulbo húmedo (ts - th) es también un buen parámetro para medir el grado de bienestar que ofrece el ambiente de trabajo, porque el aire tiene la capacidad para absorber la humedad generada por el cuerpo humano; por eso se recomienda que en las minas: (ts – th) ≥ 2 ºC. Por otro lado, la velocidad del aire de ventilación mencionada, además de servir para el control de los contaminantes (gases y polvos), cumple un papel importante para corregir las altas temperaturas existentes y garantizar el mantenimiento de las condiciones termo – ambientales adecuadas para los trabajadores que desarrollan sus actividades en interior mina; este bienestar sólo se logra hallando la Te mediante las magnitudes mencionadas. Si ts ≥ 36.5 ºC, (que también es la temperatura del cuerpo humano), la velocidad del aire debe ser los siguientes: Va = 1 – 2 m /s. (Mina seca) Va = 2 – 3 m /s. (Mina húmeda) La velocidad necesaria para lograr la temperatura efectiva (Te) mencionada se debe obtener de la tabla 9; en otras condiciones ambientales donde no se puede obtener la Te de 30°C por medio de ventilación convencional, se empleará otros sistemas de refrigeración. 27


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La temperatura efectiva en el ambiente subterráneo se puede obtener gráficamente utilizando el Nomograma de la figura N° 4; también se puede determinar de manera aproximada mediante la siguiente relación: Te = 0.3 tBS + tBH – V Donde: tBS = Temperatura de bulbo seco, en °C tBH = Temperatura de bulbo húmedo, en °C V = Velocidad del aire, en m/s Como término de referencia se puede itir, que "la temperatura máxima, medida en el termómetro de bulbo húmedo, en el interior de la mina no deberá exceder los 30°C para una jornada de trabajo de ocho horas, y deberá disminuirse la jornada a 6 horas si dicha temperatura se eleva a 32 °C, la cual será la temperatura máxima isible en minas subterráneas en explotación". Por consiguiente se plantea las siguientes conclusiones valederas sobre el bienestar a lograr en un ambiente de trabajo subterráneo: 1. El bienestar es una sensación que depende de los factores objetivos (temperatura, humedad, velocidad del aire) y subjetivas (grado de aclimatación de la persona). 2. Ninguno de los factores objetivos, considerado individualmente, permite determinar las condiciones de bienestar del ambiente. 3. La medición de cada uno de los factores permite combinarlos y obtener una medida objetiva de las condiciones de trabajo existentes. 4. La temperatura de bulbo seco, de bulbo húmedo y la velocidad del aire, son parámetros que se pueden medir fácilmente y son los que mejor definen las condiciones ambientales existentes. 5. Dados estos tres parámetros, se pueden calcular he (Capacidad de enfriamiento del aire, en cal/cm2/seg).) o Te, siendo esta última la más utilizada y difundida, además de ser la que recomienda el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería en el Perú. En minas calurosas, fluye de manera constante el calor en todas las labores mineras, que tienden a aumentar la temperatura y la humedad del aire de ventilación. Este fenómeno, de acuerdo a los estudios realizados, ha demostrado que el rendimiento de los trabajadores disminuye considerablemente no sólo en la baja productividad, sino en el menor cuidado de las tareas cotidianas y una mayor predisposición a accidentarse, porque el calor produce fatiga física, pérdida de agilidad y rapidez mental. La siguiente figura 2.1, muestra una relación directa entre el rendimiento de los trabajadores y la calidad del ambiente de trabajo, que repercute directamente en su rendimiento, su salud y en mejor funcionamiento de los equipos diesel.

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Fig. 2.1: Efecto de las condiciones termo-ambientales sobre la eficiencia de trabajo

La parte sombreada, es la temperatura efectiva entre 15°C a 30°C que deberá tener la mina, si se desea mantener la eficiencia de trabajo encima del 80%. Esta “calidad” expresa el grado de confort (bienestar material o ambiente cómodo y agradable) del ambiente de trabajo que está dado por la temperatura efectiva. Cuando la temperatura reinante es entre 15°C a 20°C y una humedad relativa menores de 35% producirá un ambiente de trabajo demasiado frígido causando el agarrotamiento físico de las extremidades; mientras para una temperatura mayores de 35°C y una humedad relativa mayores de 35% producirá fatiga física, pérdida de la capacidad de trabajo. El Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería (D.S. N°055-2010-EM) exige que, en los lugares de trabajo donde se supere las temperaturas térmicas deberá tomarse medidas preventivas tales como: períodos de descanso dentro del turno de trabajo, suministro de agua para beber no menor a 600 mililitros por hora de trabajo, aclimatación, tabletas de sal, entre otras, a fin de controlar la fatiga, deshidratación y otros efectos sobre el personal (Art.97). En el otro extremo de zonas de trabajo, donde la temperatura del ambiente signifique un riesgo de congelamiento para las partes expuestas del cuerpo del trabajador, el titular minero debe tomar las medidas necesarias a fin de minimizar dicho riesgo (Art. 98). 2.5.2 CONTENIDO DE HUMEDAD DEL AIRE (w). El aire atmosférico siempre contiene cierta cantidad de agua que se expresa en gramos o kilogramos de vapor de agua por 1 kg de aire seco (humedad absoluta) o por 1m 3 de aire; el aire siempre está afectado por el calor y la humedad, y no existe el aire totalmente seco. Según la forma cómo se calcula la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, tenemos dos tipos de humedad: 29


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A) HUMEDAD ABSOLUTA, es el contenido de vapor de agua (en gr), en un 1m3 de aire. Asimismo el contenido de agua en estado de vapor depende de la temperatura que tenga el aire de interior mina. Cuanto mayor es la temperatura del aire tanto más vapor de agua puede contener. El aire a bajas temperaturas necesita poca humedad para saturarse, mientras a altas temperaturas requiere mayor humedad para saturarse de vapor de agua. Cuando una parte del agua se evapora generará una presión contra las paredes de la labor subterránea, esa presión se conoce tensión de vapor o presión de vapor (pv), si esta presión de vapor alcanza su valor máximo ó límite para la temperatura dada, se dice que el espacio está saturado de vapor de agua. Se llama aire saturado, el aire que contiene el máximo vapor de agua para cualquier temperatura y se expresa en %; si la cantidad de agua no es suficiente la presión será menor que la máxima posible. Se define el contenido de humedad del aire a la relación que existe entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco en una mezcla de aire dada, cuya relación es el siguiente: W= Se expresa en g/kg o en kg/kg de aire seco. También se puede calcular el contenido del vapor de agua en Kg, con la siguiente relación: 0.622( HR) Ps d= , Kg./Kg. P  ( HR) Ps Donde: HR = Humedad relativa, en % (se ingresa en decimal) P = Presión barométrica, mmHg. Ps = Presión de vapor saturado, mmHg. Estas se toman de tablas psicrométricas B) LA HUMEDAD RELATIVA (HR). La Higrometría, tiene como finalidad determinar los valores de humedad relativa existente en el medio ambiente. La humedad relativa (expresado en %) es la relación que existe entre la presión parcial de vapor de agua (Pv) y la presión de saturación (Ps) del mismo vapor de agua a la misma temperatura. También la humedad relativa, es la relación del contenido de vapor de agua en el aire (en gr./m3) con su contenido máximo posible a temperatura dada; se expresa en: Contenido de vapor de agua (gr/m3) Pv x100% = ----------------------------------------------------------------------------HR = Ps Contenido máximo de vapor de agua a T dada, según tabla 11

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Donde: HR = Humedad relativa, %. Pv = presión de vapor a la temperatura T Ps = Presión de vapor de aire saturado, mmHg. Estas se toman de tablas psicrométricas. Ts = Temperatura del bulbo seco, en °C. Th = Temperatura del bulbo húmedo, en °C. La humedad relativa es un dato muy importante que tiene que ser determinado tanto en minas frígidas como en las minas calurosas, para ver la forma técnica de crear un ambiente de trabajo confortable, que le permita al trabajador hacer sus actividades sin mucho frío que lo entumece, o trabajar sin mucho calor que lo agota hasta ciertos límites, después de los cuales entra directamente la calefacción o refrigeración respectivamente como parte del acondicionamiento del aire. Cuando la presión de vapor es igual a la presión de saturación (P V = PS), la humedad relativa es 100%, o sea el aire está totalmente húmedo. En estas condiciones no hay vapores en el cuerpo del hombre por eso se sofoca. Cuando la temperatura se eleva, el equilibrio térmico entre el hombre y la atmósfera se mantiene con una evaporación intensa en la superficie del cuerpo. Este equilibrio queda afectado si hay en el aire una cantidad de vapor que reduce la evaporación; el trabajador suda bastante y no evapora el sudor. Cuando el aire está un tanto seco decimos que el aire tiene 30% de HR. Cuando el aire tiene 65% de HR podemos decir que hay un buen ambiente para trabajar. Para medir la humedad relativa se usa algunos de los siguientes instrumentos: 1. PSICRÓMETROS. (Bendix, Bacharach, etc), son aparatos que consta de dos termómetros iguales, uno de ellos es termómetro seco (termómetro de bulbo seco Ts), que mide la temperatura real del ambiente y el otro termómetro cuyo bulbo está cubierto de una mecha de algodón empapado de agua destilada (termómetro de bulbo húmedo Th) que registra una temperatura que resulta de la evaporación del agua alrededor del bulbo húmedo y es inferior al de bulbo seco, y luego con la ayuda de tablas, ábacos o cartas psicrométricas se determina el porcentaje de humedad relativa. Si el psicrómetro es girable, se hace girar a 2 o 3 revoluciones por segundo durante 1 a 2 minutos en el aire de la labor subterránea, o hasta que se logren temperaturas constantes en los termómetros; la velocidad de rotación apresura la evaporación y enfría el bulbo. Si el aire está seco la evaporación del agua del algodón es rápida, esta evaporación surte un efecto enfriador y hace bajar la temperatura. Cuando el aire esta completamente saturado de humedad no se produce ninguna evaporación y los 2 termómetros registran una misma temperatura. Para mejorar el ambiente caluroso de las labores subterráneas, la diferencia (Ts-Th) debe ser mayor de 3°C o de 4°C y la velocidad del aire entre 60 a 168 m/min. En la actualidad existen instrumentos que generan la evaporación de la humedad mediante un pequeño ventilador, esto evita hacer girar el instrumento y el riesgo de romper por cualquier choque.

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La diferencia (Ts-Th) denominada depresión de bulbo húmedo, combinando con la temperatura de bulbo seco (Ts) permite determinar la humedad relativa del aire, usando la tabla No.1, ó usando la tabla No.8 para Higrómetros Taylor.

Psicrómetro giratorio, también llamado de honda o de eslinga

Si se enfría un volumen de aire que contiene vapor de agua, una parte de ella empieza a condensarse a una cierta temperatura produciendo rocío, neblina. A esta temperatura se le denomina Temperatura de rocío o simplemente punto de rocío (Dewpoint); si la temperatura es aún más baja, lo escarcha. Corresponde por tanto, a la temperatura del aire saturado que tiene la misma presión de vapor que el aire que se está considerando. Por ejemplo, para el aire a T = 20/15 ºC y P = 712.44835 mm Hg (95 kPa) se ha visto que la presión de vapor es Pv = 9.91287 mm Hg (1.322 kPa), valor para el cual la temperatura del aire saturado sería 11.22 ºC, por lo que la temperatura de rocío para el aire en estas condiciones será: Tr = 11.2 °C. Este punto de rocío o temperatura buscada para precipitar el agua y bajar la HR se halla mediante la tabla 11 o la tabla C. Esta temperatura debe aplicarse en el terreno y quitar el agua del aire y hacer un ambiente menos húmedo que tienda a 65% de HR, con la cual mejora las condiciones del lugar de trabajo en cuanto a calor. 2. HIGRO-TERMO-ANEMÓMETRO. El Higro-termo-anemómetro, es un medidor de servicio pesado que mide e indica la velocidad del aire más la temperatura (operación del anemómetro y temperatura) y la humedad relativa más la temperatura (operación de humedad relativa y temperatura), para 32


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cada operación se inserta el sensor de veletas y sensor de humedad relativa respectivamente. Las unidades de temperatura y HR se indican en unidades °C / °F y en % respectivamente. El flujo de aire puede ser medido en las siguientes unidades: ft/min, m/s, millas/hora, Km/h y nudos. Para el higro-termo-anemómetro especificaciones de escala:

de

ESCALA VELOCIDAD DEL AIRE 80 – 4921 ft/min 0.4 – 25 m/s TEMPERATURA 32 °F A 122 °F / °C a 50°C HUMEDAD RELATIVA 10 a 70% HR 70 a 95% HR

modelo

407412

tenemos

las

siguientes

PRECISIÓN ± (2% + 20 ft/min) ± (2% + 0.2 m/s) ± 1,5°F / ± 0,8°C ± 3% HR ± 4% HR

1. Enchufe de la entrada de la sonda 2. Enchufe de salida RS232 3. Pantalla LCD 4. Teclado 5. Compartimento de la batería 6. Funda protectora de hule 7. Cabeza de la sonda de la veleta 8. Cabeza de la sonda de HR HOLD = Botón para retención de datos. RECORD = Botón para registro de datos. RECALL = Botón para recuperación de datos

HYGRO TERMO-ANEMÓMETRO – MODELO407412 33


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Tabla para medir la humedad relativa Diferencia de temperatura entre el termómetro seco y Temperatura de el termómetro húmedo (en º C) (el valor leído facilita la termómetro seco humedad relativa del aire en tanto por ciento (%)) Grados Celsius 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 100 82 64 47 31 14 1 100 83 66 50 34 18 2 100 84 68 52 37 22 3 100 84 69 54 40 25 12 4 100 85 70 56 42 28 16 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

86 86 87 87 88 88 88 89 89 90

72 73 75 75 76 77 77 78 79 79

58 60 61 62 64 65 66 68 69 70

45 47 49 51 53 55 56 57 59 60

32 35 37 40 42 44 46 48 49 51

19 23 26 29 31 34 36 38 40 42

7 11 14 18 21 24 26 29 31 33

7 11 14 17 20 23 25

5 8 11 14 17

6 9

15 16 17 18 19 20 21 22 23

100 100 100 100 100 100 100 100 100

90 90 90 91 91 91 91 92 92

80 81 81 82 82 83 83 83 84

71 71 72 73 74 74 75 75 76

61 62 63 65 65 66 67 68 69

53 54 55 56 58 59 60 61 62

44 46 47 49 50 51 52 54 55

35 37 39 41 43 44 45 47 48

27 30 32 34 36 37 39 40 42

20 22 24 27 29 31 32 34 36

12 15 17 20 22 24 26 28 30

24 25 26 27 28 29 30

100 100 100 100 100 100 100

92 92 92 93 93 93 93

84 85 85 85 86 86 86

77 77 78 78 79 79 79

70 70 71 71 72 72 73

62 63 64 65 65 66 67

56 57 58 59 59 60 61

49 51 51 53 53 54 55

43 44 45 47 48 49 50

37 39 40 41 42 43 44

31 33 34 36 37 38 39

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Ejemplos de aplicación. 1. En los trabajos de ventilación de minas se han obtenido por medición los siguientes valores promedio: Aire fresco: Aire de retorno: Ts = 63 °F Ts = 75 °F Th = 55 °F Th = 70 °F Presión barométrica (Pb) 29 pulg Hg Presión barométrica (Pb) 27 pulg Hg Q = 120 000 CFM Qs = …….. Hallar el contenido de vapor de agua en el ambiente de trabajo. Solución. El contenido de vapor de agua en el ambiente de trabajo, se hallará en el aire de retorno; para esos datos y de acuerdo a la tabla 1 se halla la humedad relativa que es igual a 75%. El contenido máximo de vapor de agua a temperatura dada (75 °F 24 °C) se halla de acuerdo a la tabla 11 (Alejandro Novitzky): Es 0.0216 Kg/m3 = 21.6 gr/m3 Contenido de vapor de agua (gr/m3) HR = -------------------------------------------------------Contenido máximo de vapor de agua a T dada Contenido de vapor de agua (gr/m3) = HR x Contenido máximo de vapor de agua a T dada Contenido de vapor de agua (gr/m3) = 21.6 x 0.75 = 16.2 gr/m3. 2. Determinar la HR del aire en la estación del pique principal del nivel 105, cuando se han registrado las siguientes temperaturas: TX = 13.8 a.C. HT = 12.8 ° Solución. ∆T = Ts - Th = 13.8 °C - 12.8 °C = 1 °C Con los valores de ∆T y Ts se usa la tabla n°1: Ts °C HR (%) 13 °C 89 14 °C 89 Luego la HR = 89% El uso de la tabla N°8 es cuando se utiliza el equipote Higrómetro Taylor. 3. Se desea saber, cuánto es el incremento de volumen de una corriente de ventilación de 100 000 ft3/min que ingresa a la mina a una temperatura de 32°F y descarga a superficie a 68°F.

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Q = 100 000 cfm T = 32 °F

T = 68°F

Solución: La diferencia de temperatura es 68 – 32 = 36 °F Incremento de volumen = 100 000 cfm x 36 °F x 0.002035 = 7 326 cfm El caudal de aire que sale por B es 100 000 + 7 326 = 107 326 cfm También se puede determinar el aumento de volumen que sufre el aire que ingresa a la mina por aumento de la temperatura, de acuerdo a la ley de Charles’s: 1  100000 460  32 = 1 =  2 2 2 460  68 V2 = Q2 = 100 000 x 528 / 492 = 107 317 cfm La pequeña variación que existe es debido a que la conversión a T absoluta es 459.4 y no 460. 4. En un ambiente de trabajo se determina humedad relativa de 55%, temperatura 37 °C ¿Cuánto debe ser la velocidad del aire para obtener una temperatura efectiva de 30 °C? Solución. De acuerdo a la tabla N° 9, se obtiene 50 m/min de velocidad del aire. 5. La temperatura de 20°C y presión atmosférica normal de 760 mm de Hg, la saturación máxima por vapor de agua corresponde a 17.2 gr/m 3 (tabla 11). Bajo las mismas condiciones, hemos obtenido por medición 12.1 gr/m3, Cuál es la HR? Solución: 12.1 x100 = 70.35% HR = 17.2 6. Si por medición tenemos 10.4 gr/m 3 de vapor de agua, a una temperatura de 15°C y a una presión normal (760 mmHg), el contenido máximo de vapor de agua (en el punto de saturación) a esa temperatura es de 12.8 gr/m3 (tabla 11). Hallar la HR. Solución: 10.4 x100 = 81% HR = 12.8

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7. Se tiene la indicación del termómetro seco 25°C y termómetro húmedo 20°C, cuánto es HR y cuánto es la humedad absoluta. Solución: Según la tabla 11, 1m3 del aire saturado a 25°C contiene 29.2 gr de vapor de agua. Se halla la HR según la tabla N°1, que es HR = 60%. Su humedad absoluta es: 29.2 gr x 0.60 = 17.52 gr 2.5.3 PRESIONES La presión es la fuerza que se requiere para mover un peso de aire o para vencer la resistencia del flujo y generar el movimiento del aire, se mide en pulg. de agua, pulg. de Hg, PSI, mm de agua y pascal (Pa). También mediante el estudio de presión podemos realizar la medición de las pérdidas de presión, densidad del aire, dimensionar los conductos de ventilación y mantener cantidades de aire deseadas en diferentes secciones de la mina. Los resultados de un estudio de presión pueden utilizarse para:  Localizar las zonas de mayor caída de presión.  Obtener la información necesaria para una planificación de ventilación.  Permite determinar la resistencia de los conductos de ventilación.  Indicar el poder total en las diferentes partes de la mina.  Indicar las áreas donde se presentan fugas y/o recirculación del aire. Cuando el aire circula en una mina, se presentan 3 diferentes presiones, que son: presión estática, presión de velocidad y la presión total. 1. PRESIÓN ESTÁTICA (HE). Es la presión ejercida por el aire en las paredes del conducto y ducto, forzándoles a expandir; esta presión ejercida es independientemente de cualquier movimiento, vale decir, que es la presión existente aunque el aire no se estuviese moviendo; ésta presión podemos visualizar con la presión en un balón de gas. En ventilación aspirante o de succión se genera dentro del conducto una presión negativa (-), porque se produce una sobre-presión respecto a la atmósfera. En ventilación impelente o soplante se genera dentro del conducto una presión positiva (+), porque se produce una depresión.

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La presión estática disminuye a lo largo del conducto del aire y representa la energía potencial. La presión estática se mide con un indicador lateral, el cual se ilustra en el siguiente dibujo:

Fig. 2.2: Medición de la presión estática con indicador lateral. 2. PRESIÓN DE VELOCIDAD (Hv) O PRESIÓN DINÁMICA. Es la cantidad de energía necesaria para vencer las pérdidas por cambio en el diámetro del conducto expresado en términos de velocidad del aire, ó es la presión resultante del movimiento del aire; cuanto mayor sea la velocidad del aire, mayor será la presión de velocidad y viceversa. Esta presión representa la energía cinética del aire. Se puede visualizar la presión de velocidad con la fuerza que se siente cuando se mantiene la mano

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fuera de la ventana de un automóvil en movimiento. Esta presión toma como valores máximos de 2 a 3 pulg. de H2O, se calcula: 2

 V  HV =     1098  Donde: V = Velocidad aire, ft/min  = Peso específico del aire, lb/ft3. Hv = Presión de velocidad en pulg de agua, Esta presión de velocidad se toma en la descarga del sistema y no es una pérdida de presión acumulativa. La presión de velocidad (HV) siempre tiene un valor positivo, mientras la presión estática puede ser positiva o negativa. Para obtener la presión total, la presión estática positiva se le agrega a HV, mientras la presión estática negativa se le sustrae. La medición de la presión de velocidad se ilustra en el siguiente dibujo:

Fig. 2.3: Medición de la presión de velocidad con medidor frontal conectado a un medidor lateral.

Cuando permanecen igual el caudal de aire, su densidad y el tamaño del conducto, permanecerá constante la presión de velocidad a lo largo del conducto. 3. PRESIÓN TOTAL (HT). Es la suma de las presiones de velocidad y de presión estática. Para los circuitos de una red de ventilación se necesita determinar la magnitud de la pérdida de energía total de la mina y se le representa por: HT = HE + HV HV = HT - HE HE = H1= Hf + Hx KOL  Le Q 2  H v , en pulg H2O HT = HE + Hv = 5.2 A3

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Esta presión puede ser visualizada como la fuerza de agua en una manguera, donde existen ambas, presión estática del sistema de agua y presión de velocidad de la energía cinética del agua en movimiento.

Fig. 2.4: Medición de la presión con medidor frontal. Del análisis de estas presiones se han encontrado los siguientes conceptos útiles: c) Si asumimos un sistema sin fricción, la presión total siempre permanece igual. Si se aumenta la velocidad, aumentará la presión de velocidad, mientras la presión estática disminuirá y viceversa. d) La presión no puede existir en forma independiente, es necesario que exista resistencia en el sistema. 4. PRESIÓN ATMOSFÉRICA. Es la presión ejercida por el peso de una columna de aire sobre un punto cualquiera de la superficie terrestre, o es la fuerza ejercida por el aire atmosférico sobre los objetos que se hallan en o con él. Esta presión ejerce en todas las direcciones. La variación de la presión atmosférica con la altitud está controlada por las variaciones de densidad y temperatura de la columna de aire. Por eso la presión atmosférica de un lugar está en función de la altitud y de la temperatura ambiental, y afecta directamente a la densidad del aire. Se determina normalmente con un instrumento que se denomina: Barómetro expresada en pulgadas de Hg y se llama presión barométrica. PRINCIPIO. Si al nivel del mar llenamos un tubo largo de vidrio con mercurio, éste tubo lo introducimos por el lado abierto (sin que se derrame) en un cubo con mercurio; el nivel del Hg dentro del tubo bajará hasta inmovilizarse a 760 mm de la superficie libre de Hg en la cubeta. El peso del aire libre (presión atmosférica) sobre la superficie libre de la cubeta, empuja el Hg y hace subir por el tubo; por eso la presión del aire al nivel del mar se expresa en:

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760 mm Hg 1 atmósfera 10.33 m H2O 14.7 lbs/pulg2. 1.03322 Kg/cm2. En ausencia del Barómetro se puede determinar indirectamente, con la siguiente fórmula: h log  = log P1 122.4F  460 Donde:  = Presión atmosférica a la altura “h”, en lbs/pulg2 P1 = Presión atmosférica a nivel del mar = 14.7 lbs/pulg2 h = Altura sobre el nivel del mar, pies. °F = temperatura a la elevación “h” Ejemplo: determinar la presión atmosférica en la estación del pique principal del nivel 105, para una altura de h = 12,848.76 ft, se ha registrado una temperatura de 13.8°C. Desarrollo. La presión atmosférica es: lb 12,848.76 ft Log  log 14.7  2 pu lg 122.4460  56.84F 

  9.20899659

lb

pu lg

2

 18.74945 pu lg Hg

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CAPÍTULO III VENTILACION DE MINAS 3.1 VENTILACION Es el suministro de un caudal de aire en calidad y cantidad necesarias a todas las labores subterráneas accesibles, con velocidades y presiones adecuadas, utilizando los medios naturales, mecánicos o combinados. Las funciones que debe cumplir la ventilación, son: 1. Suministrar el aire fresco para garantizar las condiciones ambientales adecuadas al interior de la mina. 2. Diluir y/o evacuar los gases y polvos nocivos del ambiente subterráneo, para mantener debajo de los límites máximo permisibles o tener aire limpio. 3. Regular las condiciones climáticas adecuadas en aquellas minas calurosas. Este clima subterráneo adecuado se logra manteniendo una temperatura y un contenido de humedad adecuado en el aire de la mina. En suma, la ventilación es el control del caudal y la dirección del aire en interior mina, para ofrecer un ambiente saludable y obtener el rendimiento elevado de los trabajadores. Este control ambiental de las labores subterráneas, actualmente se presentan cada día más complejas, debido a las condiciones ambientales desfavorables que se genera en todo momento, por: m) El consumo de los explosivos. n) El uso de los equipos diesel. o) La presencia del material particulado (polvo). p) La diversidad de labores subterráneas que se ejecutan (piques, chimeneas, cruceros, tajeos, etc.). q) La profundidad de las minas y r) La cantidad de personal que laboran en la mina. El conjunto de trabajos que se realiza para suministrar el aire fresco y cumplir con las funciones señaladas, no son actividades que se ejecutan de una vez, sino son trabajos permanentes que se realizan, porque las operaciones mineras son dinámicas y progresivas por extraer miles de toneladas de mineral y correr cientos de metros de labores diariamente. Un buen diseño de un sistema de ventilación, requiere el planeamiento de las necesidades de aire en las labores subterráneas y su distribución con caudal de aire que satisfaga dichas necesidades.

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3.1.2 LOS PRINCIPIOS DE FLUJO DE AIRE EN LA MINA. Los principios por lo que el aire fluye en la mina son: 1. El flujo de aire en una mina, es causado por la diferencia de presión que existe en las aberturas de entrada y salida del aire. Esta diferencia de presión se debe a causas naturales (gradiente geotérmico) o inducida artificialmente por medios mecánicos mediante el uso de los ventiladores. 2. El aire fluye de la zona de menor temperatura a la zona de mayor temperatura. 3. La presión creada (energía) en la corriente de aire debe ser suficiente para vencer la resistencia friccional y las pérdidas por choque, del conjunto de labores que definen los circuitos de ventilación. 4. El flujo de aire sigue la relación de la ley cuadrática entre volúmenes y presiones; significa que para el doble de volumen requerido se necesita 4 veces más presión. 3.2 LEVANTAMIENTO DE VENTILACIÓN. Es un conjunto de operaciones de campo y de gabinete planificados y programados, para realizar las mediciones de caudal y dirección del aire que circula, el monitoreo de contaminantes (gases y polvos), el monitoreo de condiciones ambientales, la evaluación de ventiladores existentes, el número de personal y los equipos presentes en la operación, etc., con los cuales se determina el balance general del caudal de aire de ingreso y salida, los requerimientos de aire fresco y conocer el estado real del sistema de ventilación de una mina. La evaluación integral del sistema de ventilación de una mina se realizan cada semestre, mientras las evaluaciones locales cada vez que se produzcan nuevas comunicaciones de chimeneas, cruceros, tajeos y otras labores, para plantear los reajustes permanentes en el sistema de ventilación y garantizar siempre el abastecimiento de aire fresco a las zonas de trabajo. Estación de Control de Ventilación Son lugares estratégicos de unos 6 m de un tramo de galería de sección uniforme, donde se realiza la medición de la sección transversal de la labor (perímetro y el área), la velocidad de aire, la temperatura ambiental y la dirección del flujo de aire. Estas estaciones son ubicadas en las vías de ingreso y salida del aire de la mina, en las bifurcaciones o uniones de labores de mayor significación de corriente de aire, en labores de captación y descarga de ventiladores, etc., y éstas sirven posteriormente para el monitoreo de flujo de aire. En otras minas, en la pared de estas estaciones están indicados el área, la velocidad, el caudal y el sentido del flujo de aire. Las estaciones se ubican y se numeran desde el inicio de la labor hacia el avance y de nivel superior a nivel inferior. Para los trabajos de levantamiento se requieren el instrumental necesario y el personal experimentado de acuerdo al tamaño de la mina.

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1. INSTRUMENTOS Y MATERIALES. Los instrumentos necesarios para el levantamiento de ventilación son: * Psicrómetros * Anemómetros. * Tubos de humo y pera de jebe. * Flexómetro. * Cronómetro. * Detectores Digitales de gases o Detector Multigas DRAGUER. * Tubos colorimétricos. * Muestreador de polvo y sus rios. * Libreta de campo y lapiceros. * Planos topográficos en planta y por niveles. 2. RECURSOS HUMANOS: Para los trabajos de levantamiento se requieren de personal experimentado en ventilación y cada brigada debe estar compuesta máximo de 2 a 3 personas: * 01 Ingeniero de Ventilación, que planifica y supervisa las actividades. * 02 Técnicos que realizan todo el mapeo de ventilación. * 01 Inspector o Lider de Seguridad. (opcional). 3.3.1 PROCESO DE LEVANTAMIENTO DE VENTILACIÓN (TRABAJO DE CAMPO). 1. Disponer previamente de planos actualizados de los niveles en operación a escala de 1/2000 y de planos de levantamientos anteriores. Recoger informaciones de la oficina de planeamiento mina, geología e ingeniería sobre los proyectos y diseños de toda la operación minera. 2. Realizar el reconocimiento de labores subterráneas para planificar el trabajo y ubicar en el terreno los puntos estratégicos que servirán como estaciones de control de ventilación. Identificar las vías de ingreso y salida del aire y otras vías importantes en interior mina, identificar la ubicación de ventiladores, puerta y tapones de ventilación. 3. En las estaciones de ventilación y en otras labores de explotación y desarrollos se efectúan la medición de: velocidad de aire y área de la sección transversal para determinar el caudal circulante, las temperaturas con bulbo seco y húmedo para determinar la humedad relativa y pesos específicos del aire, características e irregularidades de las paredes del conducto que tienen una incidencia directa en la resistencia. Cabe mencionar, que la determinación de la dirección del flujo de aire en cada una de las estaciones de control, así como en todas las labores donde circula el aire son importantes para saber su procedencia y orientación del flujo de aire; para este fin se usa la bombilla y tubos de humo. Estas direcciones se señalan en los planos de ventilación durante el trabajo del levantamiento. 4. Durante el mapeo, se registra todos los problemas relacionados a ventilación, las labores en construcción y su objetivo, los nuevos proyectos, etc.; con estas informaciones se planteará los diferentes trabajos de ventilación e inclusive la adquisición de equipos y materiales. 5. En caso de muestreo de polvo y gases se realizan en los lugares donde el aire se encuentra estático o lugares llenos de neblina y humos. 6. Se prepara un informe conciso y claro con todos los resultados de la evaluación, con las observaciones, conclusiones y recomendaciones.

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CONTENIDO DEL INFORME 1. Introducción s) Fecha de inicio y culminación t) Objetivos u) Requerimientos: personal, equipos, materiales, etc. 2. Cálculos 3. Conclusiones y recomendaciones 4. Anexos: Hoja de datos Hoja de cálculos Planos de ventilación Ejemplo de las observaciones:  Colocar una puerta de ventilación automática, a 20 m del inicio de la rampa-480 con marcos de concreto, la cual debe permanecer cerrada después del paso del personal. Sólo así se podrá independizar los circuitos.  La chimenea 340 ubicada cerca al tope de la Gal-300, permanece taponeada por la acumulación de carga producto de la comunicación al F4 N; se recomienda mantener libre a fin de que el aire fresco llegue a los tajeos ubicados en F4 N.  Instalar un ventilador de 20,000 CFM en el piso de la galería 400 (Nv 4) y hacer trabajar como extractor de la chimenea 500… 3.3.2 TRABAJO DE GABINETE. Consiste en realizar cálculos de caudal de aire, humedad relativa, balance de flujo de aire, requerimientos de aire fresco, dibujo de planos de ventilación e isométricos a escalas entre 1/500 a 1/2000, estos planos deben contar con cotas absolutas. Sistematizar en un informe final 3.4 MEDICIONES DE VENTILACION. Se reduce básicamente en la medición de perímetros, áreas, la longitud de las labores y la velocidad del aire, algunas veces caídas de presión. 1.- CÁLCULO DEL PERÍMETRO. Si la estación de ventilación fuese de sección regular, es fácil determinar el perímetro de manera exacta. Como generalmente nos encontramos con secciones irregulares, en cada estación el perímetro se halla en forma práctica usando la siguiente fórmula: P = (2a + 2b)c. a = Ancho medio de la galería. b = Altura mayor de la galería c = Constante práctica que de acuerdo a la irregularidad de la sección varía de 0.8 a 1.2 Los perímetros así hallados se compensan por exceso y/o por defecto.

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2.- MEDICIÓN DE SECCIÓN TRANSVERSAL DE LABORES. En todas las estaciones de ventilación se debe determinar el área medir las alturas señaladas en la sección transversal de la labor, a efectos de determinar el área lo más real posible. 1) Convencionalmente se halla por sumatoria de semi-áreas:

2) También en forma práctica o empíricamente, se halla por: A = a x b x 0.90 A = Área transversal de la estación de ventilación o conducto de aire, ft2 a = Ancho medio de la galería b = Altura media de la galería 0.90 = constante de corrección geométrica. A = a x b x 0.90 = 2.1 x 2.30 x 0.9 = 4.35 m El área de secciones regulares se calcula de acuerdo a las siguientes fórmulas:

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MÉTODO DE MEDIR Y CALCULARE LAS ÁREAS DE LAS GALERÍAS FIGURAS GEOMÉTRICAS

AREA

PERÍMETRO

A=a

P = 4ª

A=axb

P = 2(a+b)

A=1/2(a+b)h

A=a+

P=

3.- MEDICIÓN DE VELOCIDAD DEL AIRE En cada una de las estaciones de ventilación establecidas, así como en las labores de explotación y desarrollos se deben efectuar mediciones de velocidad de aire, haciendo uso de tubos de humo y bombilla, anemómetros, hidro-termo-anemómetros, tubos de pitot, etc. Dentro de esta gama de instrumentos, los más empleados son el anemómetro y el tubo de humo con bombilla. Cabe mencionar, que la velocidad del aire en una galería no es constante en cada punto de su sección, es mayor en el centro y menor en los costados. (Ver figura 2.5)

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Fig. 2.5 The velocity profile for laminar flow is parabolic

Con los resultados obtenidos se determinarán en el gabinete los caudales de aire que circulan por dichas labores. A) ANEMÓMETROS. 1. ANEMÓMETROS DE ALETAS –DAVIS (MECÁNICO) Son pequeños equipos aeromotor de 3" a 4" de ∅ que posee una rueda alada de aluminio cuyo número de revoluciones es proporcional a la velocidad del aire. La rotación originada arrastra un contador que da el número de revoluciones (igual a distancia recorrida por el aire) en un cierto tiempo de medición (mecánica o digitalmente), que luego son transformadas automáticamente a una medida lineal (ft), que divididos entre el tiempo nos da la velocidad del aire. El tiempo de medición no debe ser menor de 1 min ni mayor de 4 min. La puesta en marcha y la detención de funcionamiento se hace por medio de una palanca fijada en el cuerpo del anemómetro. Este equipo se utiliza para medir la velocidad del aire en las labores mineras (galerías, rampas, chimeneas, etc.), en rangos de velocidad entre 12 m/min a 360 m/min. También como ejemplo mencionamos otro equipo ligeramente más sofisticado, como:

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El anemómetro de rueda alada LCA-301, es un anemómetro ligero, robusto y de fácil manejo para efectuar en cualquier momento una medición precisa; sirve para determinar la velocidad y el caudal del aire en m³/s o m³/h.

Especificaciones técnicas: Diámetro de la rueda alada Campo de medición a 30 m/s) Temperatura del aire Volumen de corriente Precisión: Velocidad del aire Temperatura del aire



Alta precisión



Mide velocidad del aire y temperatura



Calcula el caudal



Gradualmente ajustable, introducción libre del 100 mm tiempo de integración 15 m/min a 1800 m/min (0.25 Dispone de cubiertas para flujo volumétrico0°para a +50°C medir en conductos dea 3000 m3/s 0.01 ventilaciones ± 1% (del rango de medición) ± 1°C



2. ANEMÓMETROS DIGITALES Estos anemómetros tienen el mismo principio del movimiento de las paletas por medio de la corriente de aire, pasando por un contador accionado por energía eléctrica de bajo voltaje. Por ejemplo utiliza pequeñas baterías de 1.5 voltios como fuente energía. La puesta en funcionamiento es a través de un botón ON y para el cambio de la información proporcionado por el aparato se utiliza otro botón MODE. Las velocidades se determinan directamente en m/s ó en ft/min.

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Cabe señalar que los anemómetros, tanto mecánica como digitalmente, se utilizan principalmente en rangos de velocidad media y de alta, que son de 100 a 3000 ft/min (30.48 m/min a 914.4 m/min); aunque en la actualidad se encuentran disponibles anemómetros especialmente diseñados para rangos de velocidad baja o muy alta de aire (2000 a 10000 ft/min, o 10.16 m/s hasta 50.8 m/s). Sin embargo, para una medición conveniente y exacta la velocidad moderada del aire debe ser superior a 35 m/min. Por eso en la medición de rutina de ventilación se encontrará una gama amplia de velocidades en la mina, por lo que se recomienda utilizar la tabla de calibración que proporciona cada fabricante, para corregir las velocidades observadas. La ecuación general para determinar la velocidad del aire por cualquiera de las mediciones practicadas es el siguiente, no obstante que los equipos digitales ya reportan automáticamente la velocidad. Vr = f x Vp Vr = Velocidad real de flujo de aire. Vp = Velocidad promedio de las mediciones. f = Factor de calibración del instrumento (generalmente para lecturas centrales). Cuando se realiza 4 lecturas, con un tiempo máximo de un 1 min cada uno. Vp = (L1+L2+L3+ L4)/4 L1, L2, L3, L4: Lecturas, en pies. Vp : Velocidad promedio en, pies/min. CRITERIOS DE MEDICIÓN: a) Método lectura central: El anemómetro se ubica en el centro de la labor y se realiza una sola medición durante un minuto. El resultado de la medida debe corregirse por el factor 0.8 (En un 20 %) para obtener la lectura real. Velocidad medida = Vm = d/t Velocidad real (Vr) = 0.8 * Vm (recomendable para labores de secciones transversales ≤ 4 m2) b) Método de lectura traversa: Utilizado para labores mayores a 4 m2 y labores de corrientes principales de ventilación donde circula aire fresco. b.1) Traversa continúa: Consiste en planificar un recorrido por toda la sección. Este movimiento se hace lentamente y los cambios de posición, en forma perpendicular al flujo. Se deberá tomar o controlar el tiempo de barrido, llegando hasta unos 10 cm de las paredes.

Donde: S = Sección real de la labor en m2.

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La fórmula indicada es para labores mayores a 2 m de altura, para lo cual se usa una varilla de extensión y el operador deberá ubicarse al costado del instrumento y lo más escondido posible.

Esta fórmula es utilizada para labores menores a 2 m de altura, debiendo ubicarse el operador frente a la corriente y con el anemómetro en la mano.

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b.2) Traversa discontinua: Método del reticulado: Se divide la sección en 8 a 24 cuadrados y en cada uno de ellos se hace una medición central durante 1 min. Vm = Σ Vmi/n ; Vr = (0,95)*Vm Método Posicional: En cada punto de medida se mantiene el anemómetro durante un tiempo breve predeterminado (entre 10 y 12 s) y se hacen registros durante un tiempo máximo 2 minutos. El anemómetro registrará la distancia total acumulada, por lo que: Vm = distancia acumulada / tiempo acumulado y Vr = (0,95)*Vm La ecuación general para determinar el caudal de aire en cualquiera de las dos situaciones será: Q= S * Vr Ejemplo de procedimiento de operación (con 3 puntos de posición): 1. En la sección transversal de la labor, estación Es una lectura en 12 posiciones, con de control de ventilación, se idealiza un plano vertical cambios cada 10 segundos, la lectura final imaginario; en ella se efectúa las mediciones es la velocidad media en 2 minutos moviéndolo a través de toda la sección de la labor, lecturas centrales ó tomar lecturas separadas (en este X ejemplo) escogiendo 3 puntos (X,Y,Z). 2. El anemómetro acoplado en una varilla se pone en Y funcionamiento en el punto X, y simultáneamente el 2.5 cronómetro; mantener por ejemplo por 40 segundos. El m anemómetro acoplado en una varilla permite al operador Z mantenerse en la misma posición y reducir en el flujo de aire el efecto de la mano, el brazo y el cuerpo durante la medición en los 3 puntos. 3. Pasar a los puntos Y,Z y en cada uno de ellos debe 3.2 m mantenerse el anemómetro por 40 segundos. 4. La lectura acumulada para los 120 segundos (2 minutos) arroja 197 ft, es decir una velocidad igual 197ft / 2min = 98.5 ft /min = 30 m/min. La velocidad real (Vr) = 30 m/min *0.95 = 28.5 m/min 5. Con el área de la labor de 3.2m x 2.5m x 0.9 = 7.20 m2, se calcula el caudal de aire: Q = S x V = 7.20 m2 x 28.50 m/min = 205.20 m3/ min B) TUBO DE HUMO Y PERA DE JEBE. Es un instrumento bastante simple, que consta de una pera aspiradora de caucho que se sostiene manualmente, dos tapones de jebe y un tubo de vidrio que está lleno de trocitos de piedra pómez impregnada con tetracloruro anhidro de estaño o titanio. Actualmente el tubo de vidrio es reemplazado por un tubo de plástico de 12 cm (4.75”), que en su interior lleva selladas herméticamente dos ampolletas de vidrio que contienen dos químicos diferentes; cuando se rompen las ampollas de vidrio, el vapor de los dos químicos forma 52


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una nube densa de humo blanco al pasar a través del tubo el aire generado por la bomba aspiradora de caucho. También dos mallas de metal en forma de cúpula están montadas dentro de cada tubo de plástico para atrapar las partículas de vidrio de las ampolletas rotas sin impedir el libre flujo del humo. Todos los componentes mencionados es “un juego de tubos generadores de humo SMA” que están contenidos en un estuche de plástico de aproximadamente 10 x 12 x 5 cm (4” x 4.75” x 2”). El juego completo pesa aproximadamente 227 gr (8 onzas).

El Tubo de Humo se usa para generar el humo visible en forma controlada y determinar en forma rápida la dirección y velocidad de flujos lentos de aire (V < 35 m/min). Para operar previamente se inserta el rio de escape de la bomba aspiradora dentro del tubo de plástico generador de humo. (Se espera que un tubo suministre humo durante el día de uso normal). Apretar el tubo de plástico para romper las dos ampolletas de vidrio. Luego apretar la bomba aspiradora para generar el humo. Observar la dirección y velocidad del humo. Para determinar la velocidad del aire, se mide el tiempo de recorrido del humo en una distancia predeterminada. Para detener la generación de humo, simplemente pare de apretar la bomba aspiradora. Cuando la generación de humo va ser dentro de periodos más largos de tiempo, retirar la bomba del tubo de plástico y poner tapones de caucho en ambos extremos del tubo. CRITERIOS DE MEDICIÓN: a) Medición central: Conviene hacer varias mediciones para lograr una mayor exactitud, y luego calcular la velocidad promedio. Vm = Σ Vi/n Como la velocidad fue medida en el centro de la labor y se sabe que la velocidad cerca de las paredes es más lenta, es necesario hacer una X corrección: Vreal = 0.8 * Vm b) Cuadrantes: Para lograr una mayor exactitud se recomienda dividir la sección de la labor en cuadrantes imaginarios y obtener un promedio. Para cada cuadrante se descargan nubes de humo en el centro y se toman varias mediciones. Vm1, Vm2, Vm3, Vm4 Vm = Σ Vm/4 Luego: Vr = 0.9 * Vm

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Se deben medir las áreas en los diferentes puntos y se calcula el caudal de la siguiente forma: Q =Vr * Σ Ai

X

X

S1 X

S2

S3

X

1

3m

m2.

S1 = 3.2m x 2.7m x 0.9 = 7.8 S2 = 3.2m x 2.5m x 0.9 = 7.20 m2, S3 = 3.2m x 3.10m x 0.9 = 8.93 m2, S = (7.8 + 7.2 + 8.93)/3 = 7.98 m2

2

m

Procedimiento de operación: 1. Tomar dos puntos en una galería de sección uniforme (estación de control) una distancia ≤ 5 m. Para este ejemplo tomamos 3 m de separación. 2. El operador del punto 2 que controla el cronómetro, da X señal para que el operador del punto 1 suelte la nube de humo a la altura del punto X. Y 3. El cronómetro se controla en el momento en que el 2.5m humo pasa exactamente los 3 m de distancia señalados. El operador 2 anotará cada una de las lecturas. Z 4. Repetir el procedimiento para los puntos Y, Z. Así se obtuvo: Posición en X: distancia (d) = 3m, tiempo (t) = 6 seg. 3.2m Posición en Y: distancia (d) = 3m, tiempo (t) = 6 seg. Posición en Z: distancia (d) = 3m, tiempo (t) = 6 seg. Luego V = d/t = 3 m/6 seg = 0.5 m/seg = 30 m/min. Haciendo la corrección: 0.9 x 30 = 27 m/min. El caudal Q = 7.98m2 x 27 m/min = 215.46 m3/min.

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Cabe aclarar que:  De contar con diferentes tiempos, éstos se promedian. Además si en cada punto X, Y, Z se miden 3 o más veces, se promedian para cada punto.  Si tiene secciones transversales irregulares, el área A se obtiene promediando las áreas parciales.  Después de su uso el tubo generador de humo, debe ser cubierto por ambos extremos con las respectivas caperuzas de jebe para evitar obstrucciones y volver usar. Después debe ser descartado.  La velocidad debe corregirse, de acuerdo al factor de calibración de cada equipo; en caso de balance de flujos, es innecesario hacer las correcciones, porque estará afectada por el mismo error.  El empleo del tubo de humo, es recomendable para rangos de velocidades bajas. ADVERTENCIA  El tubo contiene ácido químico corrosivo.  Se debe evitar el o con la piel y los ojos.  Evitar la respiración del humo.  No exponer al personal a concentraciones pesadas de humo.  En caso de o, poner inmediatamente al flujo de agua C) TUBO DE PITOT. El nombre del equipo es en homenaje a su inventor Henri Pitot (1895-1771), un científico francés que inventó dispositivos para medir el flujo de agua en ríos y canales; que luego fue fabricado para medir velocidades de aire. Es un instrumento que consta de 2 tubos concéntricos, uno dentro del otro, en forma de “L” en un extremo afilado para reducir la interferencia con el flujo de aire; el tubo interior “d” es abierto en el extremo y recibe la presión total de la corriente de aire, el tubo exterior está cerrado en el extremo y recibe la presión estática del aire a través de pequeñas aberturas “S” perforados alrededor y lateralmente y están situados detrás del extremo. El extremo opuesto del tubo Pitot tiene dos encajes, uno para cada tubo, a los cuales se adosan las mangueras del indicador de nivel de agua o las mangueras del manómetro. En el proceso de medición, el extremo afilado o delgado del tubo Pitot debe estar orientado contra la corriente de aire. El tubo Pitot conectado con las dos mangueras de goma del manómetro a los encajes de presión total (Pt) y presión estática (Ps), se lee directamente la presión de velocidad (VP) en el manómetro.

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Ps

Pt

d

El instrumento se coloca en el ducto y/o el conducto paralela a su eje con la punta “d” mirando hacia dónde viene el aire.

Instrumento para medir la presión con indicador de nivel de agua con tubo en U Manómetro y tubo de Pitot 56


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El tubo de Pitot se utiliza para medir altas velocidades de aire (entre 500 m/min a 3,000 m/min) generalmente en ductos, en ventiladores así como en pruebas de laboratorio, con una precisión muy exacta (menos de 1% de error) Para V > 800 m/min se emplea un manómetro en U Para V < 800 m/min se utiliza un manómetro de tubo inclinado Para velocidades menores de 240 m/min es poco preciso. CRITERIOS DE MEDICIÓN: a) Método de lectura central: Vm = Σ Vi /n; Vr = 0.9 * Vm b) Método de la malla: Una sección se divide en varios cuadrados “n” de áreas similares y en cada una se toma una lectura. Vrn = 0.95 * Vn. Para pruebas especiales se requiere un alto grado de exactitud, para el cual se toman puntos de la corrida en el área del conducto y obtener la velocidad promedio es muy difícil. Sin embargo, para la mayoría de los trabajos de mina, las mediciones centrales multiplicada por un factor de corrección de 90% son suficientemente exactos. 1. Cuando se conecta sólo la manguera de Pt, en el manómetro se lee la presión total. 2. Cuando se conecta sólo la manguera de Ps, en el manómetro se lee la presión estática. 3. Cuando se conecta ambas mangueras al manómetro, en ella se lee la presión de velocidad (VP). 4. Si las lecturas arrojan valores negativos se cambia la conexión de la manguera en el manómetro.

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Medición con tubo Pitot, en una galería

Cuando se determina la presión de velocidad, significa que hemos medido la presión dinámica del aire, es decir la presión sobre un obstáculo que se encuentra en su camino. Esta presión dinámica es pequeña con relación a la presión estática y puede considerarse despreciable; sin embargo, una caída de presión por muy baja que sea en ventilación de minas tiene un valor económico, porque si uno puede ganar esa presión, estamos ganando energía y ahorrando dinero. Matemáticamente se determina la presión de velocidad y para cualquier densidad del aire, mediante la siguiente fórmula:

 V  VP=    1098 

2

V = Velocidad aire, ft/min  = Peso específico del aire, lb/ft3. VP = Presión de velocidad en pulg de agua, que es la cantidad de energía necesaria para vencer las pérdidas por cambio en el diámetro del conducto, expresado en términos de velocidad del aire en la descarga. Esta presión toma como valores máximos hasta 3 pulg de H2O. También la misma presión de velocidad, según el sistema internacional de unidades, se puede hallar con la siguiente fórmula: V2 VP =  , y la velocidad se calcula despejando: 2g V=

2 g VP 



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Donde: V = velocidad del aire en, m/seg  = Densidad del aire en Kg/m3 (a nivel del mar es 1.2 Kg/m3). VP = Presión de velocidad en, mmH2O. g = gravedad, 9.8 m/seg2. También cuando no se dispone de la tabla 2, la velocidad del aire puede calcularse desde la presión de velocidad con la siguiente fórmula simplificada y para la densidad estándar del aire de 0.075 lb/ft3: Velocidad (V) ft/min = 4,000 VP La densidad del aire tiene poca importancia en la medición de la velocidad del aire con anemómetro y el tubo de humo, porque el error es menor y está dentro del error normal de medición. Sin embargo, cuando la medición del aire se realiza con tubo Pitot y si existe una variación sustancial respecto del aire estándar, se afectará mediante el factor de corrección, que es igual: 0.075 donde d es la densidad del lugar. Este factor de d

corrección, multiplicado por la velocidad será igual a la velocidad dentro de grado de precisión práctico. Ejemplo 1. ¿Cuánto es la velocidad real para una presión de velocidad de 1.31 pulg de H2O, cuando la densidad del aire es 0.062 lb./ft3? Solución. 0.075 V = 4000 1.31x 0.062 V = 5,035.4 ft/min Ejemplo 2. La velocidad de flujo representativo para una presión de velocidad de 0.78 pulg de agua es 3,533 ft/min, de acuerdo al uso de la tabla 2. Pero también se puede aplicar la fórmula: Velocidad (V) ft/min = 4,000 VP = 3533 ft/min Ejemplo 3. ¿Cuánto es la velocidad, para una presión de velocidad (VP) igual 1.2 pulg H2O? Si ésta medición es de lectura central ¿Cuánto es la velocidad corregida? Solución V = 4,000 1.2 = 4,381.8 ft/min. La velocidad corregida por la medición central es: 4,381.8 ft/min x 90% = 3944 ft/min. . El método más simple es registrar las presiones de velocidad (VP) de cada punto recorrido, luego hallar la raíz cuadrada de cada VP medida ( VP ), hallar el promedio de las raíces cuadradas y aplicar la fórmula. La velocidad promedio de una sección no se puede obtener por el promedio directo de las presiones de velocidad (V P) obtenida de las mediciones, porque las presiones de velocidad varían con el cuadrado de las velocidades. La otra forma correcta de hallar es determinar la velocidad en cada punto corrido y hallar el promedio.

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Para determinar la presión total (Pt) se halla el promedio de las lecturas. Cuando la ventilación es aspirante la presión total es negativa (-Pt) y si es impelente es positiva (+Pt), de acuerdo a este criterio se aplica la siguiente relación: Ventilación impelente = Pt – (± Ps) = + Pv Ventilación aspirante = -Pt – (± Ps) = + Pv

PUNTO VP 1 2 3 4 5 6 7

Pt

VP 0.72 2.25 0.8485 0.77 2.35 0.8775 0.83 2.40 0.911 0.95 2.50 0.9747 0.84 2.20 0.9165 0.77 2.35 0.8775 0.74 2.45 0.8602 ∑5.62÷7= 0.80286 16.5 ÷ 7 = 2.357 6.2659 7 = 0.8951

V ft/min 3394 3510 3644 3899 3666 3510 3441 3580.6 ft/min

V = 4000√Vp = 4000 √0.80286 = 4000*0.89602455 = 3584.1 ft/min, es incorrecto. La velocidad promedio calculada a nivel del mar será: 4000 x 0.8951 = 3580.4 ft/min, es la forma correcta de calcular. Vr = 0.95 * 3580.4 ft/min = 3401.38 ft/min El sistema de ventilación es aspirante, a través de un conducto de 28.26 ft2. 1. Hallar la Velocidad del aire cuando su peso específico es W = 0.049 lb/ft 3. 2. Hallar la VP y PS VP = 0.8951 Vp = 0.8012 pulg H2O

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Vr = 4,439.92 x 0.95 = 4,218 ft/min El caudal de aire = 4,218 ft/min x 28.26 ft2 = 119,200. 68 ft3/min Hallar Ps: -Pt- (± Ps) = + Vp -2.357 – (- Ps) = 0.8012 Ps = 0.8012 + 2.357 = 3.16 pulg H2O 4.- MEDICIÓN DE FLUJOS DE AIRE. El caudal de aire es el producto del área de la sección transversal de la labor por la velocidad de flujo a través de ella. Tal como se ha calculado en las mediciones anteriores. Para hallar el caudal se determina la Vds = S x Vm Vm = Velocidad media S = Área de sección transversal. Q = S x Vm

5.- MEDICIONES DE TEMPERATURA AMBIENTAL En cada una de las estaciones de ventilación y otras zonas críticas, se debe medir las temperaturas de bulbo húmedo y seco haciendo uso de un psicrómetro. Con los resultados obtenidos y haciendo uso de Ábacos y/o fórmulas se determina la Humedad Relativa. Para minas con temperaturas entre 10°C a 20°C y humedad relativa de 35% a 90% generalmente representan un grado confortable. 6.- EVALUACIÓN DE POLVO. Para el muestreo de polvo ambiental, previamente se debe identificar las labores con presencia de polvo, luego se debe muestrear para determinar su grado de concentración. Cuando se utiliza un equipo de muestreo gravimétrico, el polvo es captado en los filtros, cuyo análisis y cuantificación se realiza en el laboratorio respectivo, y comparar los resultados con los Límites Máximo Permisibles que establece el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería, D.S. 055-2010-EM en el Art. 103 Anexo 4 (que el polvo respirable debe ser de 3 mg/m3 que no contenga amianto y con menos de 1% de sílice cristalina). Los LMPs no reconoce la composición química En muchas minas, por la humedad existente en labores y por la obligatoriedad de realizar la perforación húmeda, las concentraciones no son tan trascendentes. 7.- FLEXOMETRO Sirve para medir la longitud de las secciones de la labor. También sirve para medir la distancia en la medición de velocidad de aire por el método de Movimiento Uniformemente Rectilíneo. 8.- CRONOMETRO Sirve para anotar la hora de inicio de mediciones en las diferentes estaciones de ventilación. También sirve para determinar la velocidad del aire medido con Anemómetros No Digitales y por el MUR.

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9.- MEDICIÓN DE LOS GASES DETECTORES DIGITALES DE GASES. Sirve para detectar y medir la concentración de gases, tales como: Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2), Gases Nitrosos (NO + NO2 y otros. La lectura se realiza directamente en la pantalla. a) Detector de gas tóxico Gasman N Este detector de gas tóxico está concebido para protegerse contra un gas específico, inflamable o tóxico; avisa a su portador con un tono de alarma penetrante y con una señal óptica de la mayor concentración del gas peligroso, y muestra en la pantalla el valor de la medición actual. Además este detector podrá guardar los valores de medición y ser transferidos al ordenador en cualquier momento.

Detector múltiple de gases, mide hasta 4 gases simultáneamente

Detector de un gas específico

Rangos de medición típicos y ajustes de la alarma Parámetro / Gas

Símbolo

Rango

Alarma

Gases inflamables

CH4

0 ... 100 % LEL

20 % LEL

Oxígeno

O2

0 ... 25 % v/v

19 % y 23 % v/v

Sulfuro de hidrógeno

H2S

0 ... 100 ppm

5 ppm

Dióxido de carbono

CO2

0 ... 5 % v/v

0,5 y 1,5 % v/v

Monóxido de carbono

CO

0 ... 500 ppm

30 ppm

Dióxido de azufre

SO2

0 ... 10 ppm

1 ppm

Cloro *

CL2

0 ... 5 ppm

0,5 ppm

Dióxido de nitrógeno*

NO2

0 ... 10 ppm

1 ppm

Fosfina

PH3

0 ... 5 ppm

0,5 ppm

Amoniaco

NH3

0 ... 100 ppm

25 ppm

Hidrógeno

H2

0 ... 1000 ppm

100 ppm

Ozono

O3

0 ... 1 ppm

0,1 ppm

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* Con el cloro y el dióxido de nitrógeno no se puede utilizar la bomba aspiradora para aspirar el aire en el detector de gas tóxico Gasman II. b) Detector multigas DRÄGUER Sirve para detectar y medir la concentración de gases como el Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2), Gases Nitrosos (NO + NO2 y otros, empleando los tubos colorimétricos. Por ejemplo Dräger Accuro, tiene una bomba manual de detección de gases, que se utiliza para mediciones puntuales en el lugar de trabajo con los tubos colorimétricos Dräger. Es el sistema más universal y económico de medidas puntuales de sustancias con la gran variedad de tubos colorimétricos disponibles. Las lecturas se realizan directamente en los tubos colorimétricos graduados, según número de bombilladas, que puede ser de n=1 a n=10.

Detector multigases portátil max. 20 000 ppm | Multi-PID 2 La amplia gama de detectores de gas Dräger, detectan simultáneamente los más distintos gases y/o vapores, y aplican dos distintos métodos de detección: espectrometría de movilidad de iones (IMS) y detección de fotoionización (PID).

Tubos colorimétricos. Sirve para determinar la concentración de los diferentes gases y vapores. Están fabricados de vidrio fundido en sus 2 extremos, contiene sustancias químicas que reaccionan en presencia de un determinado gas, originando una coloración típica. La longitud de la zona coloreada se puede medir mediante el uso de papeles calibrados o simplemente leyendo la escala graduada que está impresa sobre el tubo de vidrio.

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Durante la etapa del levantamiento de ventilación, se debe realizar la medición de los gases en las distintas labores de explotación y desarrollo, y comparar los resultados con los Límites Máximo Permisibles establecidos en el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería, D.S. 055-2010-EM en el Art. 103 Anexo 4.

Por ejemplo tenemos el reporte de mediciones efectuadas de 3 tipos de gases en una mina subterránea, cuyos resultados son:

LABOR

CONCENTRACIONES PPM CO NO+NO2 Trazas Trazas Trazas Trazas 5.0 0.5 Trazas Trazas

CO2 Trazas Trazas 200.0 Trazas

Rampa 1848* Tajeo 0118 (NV 35) Gal.0539NE (NV 70) Gal.1432(NV 105)** Gal. 1432 40.0 1.0 500.0 (NV 105)*** Xc 0632 NV105**** 20.0 0.3 100.0 Tj.11(NV105) Trazas Trazas Trazas Límites permisibles 25 NO = 25; NO2 = 3 5000 * Mediciones efectuadas luego que todos lo equipos diesel habían ingresado a la mina por la rampa. ** Mediciones antes de iniciar la limpieza del frente en esta galería. *** Mediciones efectuadas cuando un scooptram transportaba mineral. **** Una hora antes se había disparado en el frente de la galería 1432.

También tenemos el reporte de las mediciones del gas CO en los tubos de escape de los equipos diesel, cuando la máquina se encontraba en neutro y el motor en aceleración máxima.

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CONCETRAC. CO (ppm) Getman KD No. 3 10 Scooptram JS 100 Jarvis 30 Clark No. 1 Scooptram JS 100 Jarvis 40 Clark No. 2 Scooptram Toro 250 D* 120 Scooptram Toro 250 D** Trazas Límite máximo permisible 1000 (LMP) * Escape sin filtro. ** Escape con filtro. EQUIPOS

10.- EVALUACIÓN DE VENTILADORES. Se debe identificar los circuitos de aire de los ventiladores principales y en base a las características técnicas de los mismos, se debe determinar la eficiencia real de operación. Además se debe evaluar los ventiladores determinando ¿Cuántos ventiladores se encuentran en operación y paralizados? ¿Cuál es la disposición de los ventiladores en serie o en paralelo?, señalar el lugar donde están instalados, etc. 11.- PLANOS TOPOGRÁFICOS En estos planos se debe anotar el sentido de flujo de aire, tipo de flujo (aire usado o fresco), ubicación de ventiladores y sus códigos, tapones, puertas de ventilación y otros detalles y descripciones importantes. 12.- PLANOS DE VENTILACIÓN Con la información obtenida durante el levantamiento de ventilación se deben elaborar los planos de ventilación para cada uno de los niveles de la mina, en ella plasmarán los parámetros y las recomendaciones de mejoras. Igualmente se debe elaborar un Plano Isométrico de ventilación de toda la mina tanto para la condición actual como para el proyecto si es que existiera. Estos planos deben estar en una Escala de 1/1000 ó 1/2000. 13.- SIGNOS CONVENCIONALES. Los signos convencionales en ventilación de minas, son dibujos que se emplean para representar en el plano de ventilación, las labores donde circula el aire, tipo y dirección de flujo, tipo de ventiladores y rios (ductos, puertas, cortinas, tapones, reguladores, etc.). Las direcciones de flujo de aire de un nivel a otro, muchas veces se señalan empleando colores.

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14.- LIBRETA DE CAMPO. En la libreta de campo se debe anotar los datos de todas las mediciones realizadas. 15.- SOFTWARE DE VENTILACIÓN. Para el análisis de la condición actual de ventilación y simular los circuitos de un proyecto de ventilación de minas, se usan programas de Ventilación como son los VnetPC 2003 y 2007 (simulador de redes y del planeamiento de ventilación subterránea), MINE FIRE (Predicción de consecuencias de un incendio en mina), DUCTSIM (Complemento del planeamiento del sistema de ductos auxiliares), CLIMSIM (Predicción de las características termodinámicas y psicométricas del aire). VENPRI (Programa desarrollado por AITEMIN para diseño, simulación y cálculo de ventilación principal para minas y obras subterráneas). VENTSIM (Mine Ventilation Simulation Sofware) es un simulador de ventilación de minas. Todos los programas de ventilación están basados en el Método iterativo de Hardy Cross u otro Programa.

PROGRAMA venPri PARA SIMULACIÓN DE VENTILACIÓN PRINCIPAL

16.- BALANCE DE INGRESO Y SALIDA DEL AIRE DE LA MINA Con datos de las mediciones se debe determinar el balance de ingreso y salida de aire de la mina, que no debe exceder del 8% del volumen que se distribuye. Así presentamos el resultado de las mediciones de ingreso y salida del aire de un mina: ENTRADAS M3/min Boca rampa auxiliar 398.8 Pique principal 123.4 Salida maestranza 120.0 Chimenea 9635 75.5 Chimenea 0639 56.8 Chimenea 9048 26.0 Chimenea 8846 95.0 . 3 TOTAL 895.50 M /min = 31,626.o ft3/min.

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SALIDAS Boca rampa principal Pique auxiliar Chimenea 9837 Chimenea 0036 Chimenea 0032 Chimenea 0431 Chimenea 0219 Chimenea 022431 ........................... ______________________ TOTAL

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M3/min 126.0 229.2 30.0 19.0 21.0 15.0 110.0 50.0 .......... _______________________ 919.2 M3/min = 32,463 ft/min

Entrada 895.50 M3/min Salida 919.2 M3/min Déficit = 23 M3/min = 837 ft3/min Esta diferencia es por la influencia de la humedad y presión de vapor del agua reinante en la mina, la evacuación de los gases de los equipos diesel y por el uso de aire comprimido, que hacen variar el volumen y el peso específico del aire; ésta variación de volumen puede alcanzar hasta 5%. Los cambios de densidad del aire se reflejan en cambios de volumen de aire y rendimiento de los ventiladores. Al realizar el levantamiento de volúmenes en la mina para obtener el balance de flujos, es importante entender cómo la humedad y la presión de vapor de agua, relacionados directamente a la densidad, afectan los volúmenes. Así: El aire de ingreso tiene p.e = 0.0466 lb/ft3 y un caudal Q1. El aire de retorno tiene p.e = 0.0454 lb/ft3 y un caudal Q2; de acuerdo a la ley de Charles’s el volumen es inversamente proporcional a su peso específico a presión constante. De acuerdo a esa ley tenemos: caudal Q1 x 1 = Q2 x 2, reemplazando los datos: 31,626 ft3/min x 0.0466 lb/ft3 = Q2 x 0.0454 lb/ft3 Q2 = 32,462 ft3/min. La diferencia es = 835.93 CFM. Lo que ocurre es que el aire de la mina se satura de humedad en estado de vapor por aumento de temperatura y debido a este aumento en humedad tendremos una expansión en volumen. 17.- REQUERIMIENTOS DE AIRE PARA LA MINA. El requerimiento y el flujo de aire limpio y fresco en cantidad y calidad suficientes para cubrir las necesidades de la mina, se calcula en función del número de personal, el total de HPs de los equipos diesel, dilución y/o evacuación de los contaminantes y regular las condiciones termo-ambientales a un grado de confort, manteniendo en el ambiente de trabajo una temperatura efectiva debajo de 30°C y un mínimo de 19.5% de oxígeno, conforme establece el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería, D.S. 055-2010-EM (Arts. 97 y 103).

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a.- Por el número de personal y la altitud. Qa = N x q Donde: Qa = Cantidad de aire necesario para el personal, en m3/min, ft3/min. N = número de personas presentes en la mina y por guardia. q = cantidad de aire mínimo por persona según el RSSOM. b.- Por el consumo de explosivos. El reglamento señala que la corriente de aire en las labores subterráneas no debe tener una velocidad menor de 20 m/min (65.6 ft/min) ni superior a 250 m/min cuando se emplea explosivos dinamita. Cuando se emplee el explosivo ANFO y sus equivalentes, tampoco la velocidad del aire no será menor de 25 m/min (82 ft/min), por lo que se calcula con la siguiente fórmula: Qb = A x V x m Donde: Qb = Cantidad de aire para diluir los contaminantes por explosivos, en m3/min (ft3/min) A = Área promedio de la sección de galerías y/o niveles de trabajo, en ft2 o m2. V = Velocidad del aire según el RSSOM. m = Número de niveles en trabajo de la mina. También cabe mencionar otras fórmulas que son muy útiles y son: 1. Según el consumo de explosivos: a) El caudal de aire necesario para la ventilación de una mina según Borisov: 12.5 AB Q= , m3/min t A = Cantidad máxima de explosivo empleado en la voladura, en Kg. B = Volumen convencional de CO generado por la explosión de 1 Kg de explosivo, en litros (Según las reglas de seguridad de ese país consideran 40 litros). Para nuestro caso, según el experimento, es 0.16 ft3= 4.53 litros para 200 gr y para categoría de humo 1ra. t = El tiempo de ventilación, en minutos.  30 min en voladuras convencionales.  8 horas a 20 horas en voladuras masivas. (Ingresar en las unidades que pide y se obtiene m3/min) b)

El caudal de aire en minas metálicas Según Novitzky, Pág. 280: 100aA Q= , m3/min 0.008t A = Cantidad de explosivos en voladura, en Kg. a = 0.040 m3 por 1 Kg de explosivo t = tiempo de ventilación, min Esta fórmula se basa en 2 valores:  Formación de 0.040 m3 de productos tóxicos por la explosión de 1 Kg de explosivo. Para nuestro caso debe ser 0.16 ft3 = 4.53 lts = 0.00453 m3 para 200 gr de explosivo y para categoría de humo 1ra.  Tiempo de ventilación no mayor de 30 min, con excepción en voladuras en masa. Además los productos tóxicos de la explosión deben ser diluidos a no menos de 0.008%

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según volumen. En la práctica los gases se diluyen más rápidamente de lo que se prevé en la fórmula y no se necesitará el volumen de aire de 12,500 (100  0.008) veces el de gases tóxicos. 2. Para la dilución de los gases. La cantidad de aire necesario para diluir un gas a su concentración máximo permisible, se utiliza la siguiente ecuación: Q g 1  CMP  Q= CMP  B g Qg = generación de un gas por unidad de tiempo Bg = contenido de un gas en el aire de isión (ejemplo CO2 = 0.03%) CMP = concentración máxima permisible del gas según las leyes. Ejemplos: 1. En una mina ingresa 20,000 CFM y se detecta 2% de CO 2 producido por un scooptran, a ¿Cuánto debe elevarse el caudal de aire? 2. Calcular la cantidad de aire necesario para diluir el gas metano en una mina de carbón a su Límite de exposición ocupacional, cuando la entrada del gas es de 250 pies3/min y su concentración en el aire de isión es del 0,1%. c.- Por la cantidad de equipos diesel La cantidad de aire mínimo necesario es de 3 m3/min (106 ft3/min) por cada HP del motor que desarrollan los equipos diesel: Qc = qe x n. Donde: Qc = Cantidad de aire por uso de equipos diesel, en m3/min (ft3/min) qe = Cantidad de aire necesario por cada HP (3 m3/min o 106 ft3/min). n = El total de HPs de los equipos diesel que operan en la mina. Por otro lado los fabricantes de los equipos diesel han determinado que la potencia de un motor diesel que trabaja en la mina disminuye 10% por cada 1000 m s.n.m. Por ejemplo: 3650 m.sn.m ............... X 1000 m ....................... 10%. 3650 x0.10 X (% en decimal) =  0.365 1000 Entonces, n = HPs – HPs*X% Qc = qe x (HPs –HPs*X%) Esta fórmula se tomará en cuenta, cuando los cálculos se realizan para equipos diesel que trabajan en la mina. El volumen de aire así calculado permitirá un buen funcionamiento del motor y la buena combustión del petróleo y diluir los contaminantes que emanan los equipos. Los equipos diesel con depuradores PTX incorporados no deben emitir gases por el tubo de escape que exceda los mil ppm (1000 ppm) de monóxido de carbono y de vapores nitrosos medidos en las labores subterráneas, de lo contrario el equipo es retirado de las labores de la mina al taller de mantenimiento.

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d.- Para lograr la temperatura efectiva. El Reglamento de Seguridad e Higiene Minera establece, que en ningún lugar de trabajo la temperatura efectiva será superior a 30°C. Qd = A x Ve x t. Donde: A = Sección promedio del tajeo o frontón, en m2 o ft2. Ve = Velocidad efectiva obtenida de la tabla de temperatura efectiva a 30°C. t. = Número de tajeos calientes o puede ser número de niveles de trabajo, si en toda la mina existe altas temperaturas y por donde circula continuamente el personal. Caudal total de aire. Posiblemente la parte más importante en el trabajo y diseño de un sistema de ventilación, es la determinación del volumen de aire necesario para toda la operación minera, manteniendo un flujo constante y sin interrupciones. Una sobrestimación significa costos más altos de capital. Sin embargo, no existen reglas fijas y precisas para estimar el volumen de aire, sino tiene que ser analizado de acuerdo a la realidad de cada operación minera y en función del criterio y experiencia del profesional que realiza el estudio de ventilación de minas. La cantidad total de aire que debe suministrarse a una mina sería la suma de los caudales parciales analizados para cada uno de los factores mencionados, o sea: Q t = Qa + Qb + Qc + Qd , cuando tales condiciones se presentan simultáneamente durante las horas de trabajo. Pero, si en un lugar no hay máquinas diesel, calor y los disparos se realizan al final de la guardia con un mínimo de intervalo de 30 a 60 minutos de un turno a otro, sólo se tomará la cantidad de aire en función al número de personal. Sin embargo al estudiar un proyecto de ventilación de minas, el caudal de aire necesario para ventilar las labores subterráneas se efectúa analizando cada uno de los factores mencionados, luego se toma el valor más alto de cualesquiera de los factores como el caudal de aire necesario para la ventilación de la mina en estudio. Por otro lado, debido a la existencia de fugas de aire, el caudal calculado o tomado debe ser aumentado en un 10% a 20%, sobre todo cuando se trata de minas antiguas, caso contrario no es necesario. El caudal de aire determinado, es distribuido por los niveles de trabajo y tajeos, que serán comprobados de acuerdo a la velocidad isible de la corriente de aire que exige el Reglamento. Ejemplos de aplicación. 1. La mina se encuentra situada sobre los 4,000 msnm; la temperatura en las labores mineras alcanza un promedio de 19°C con humedad relativa de 91%. La operación minera cuenta con 60 trabajadores por guardia y los siguientes equipos diesel: 2 Volquetes Getman con 60 HPs c/u 3 Scooptram JS-100 Jarvis Clark de 36 HPs c/u 1 Scooptram Toro 250-D de 120 HP La sección promedio de las labores es de 7.50 m2 Determinar el requerimiento de aire para la operación normal de la mina. Solución.

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CAPITULO IV FLUJO DE AIRE EN LABORES SUBTERRÁNEAS 4.1 PRINCIPIOS DE FLUJO DE FUIDOS. El flujo de fluidos es muy complicado, debido a que sus partículas en movimiento tienen diferentes velocidades y están sujetas a distintas aceleraciones, que requiere del quien estudia, una habilidad para expresarla matemáticamente. Son tres los principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos: 1.- Principio de conservación de masa, a partir del cual se establece la ecuación de continuidad. 2.- Principio de la energía cinética, a partir del cual se deducen ecuaciones aplicables al flujo 3.- Principio de la cantidad de movimiento, a partir del cual se deducen ecuaciones aplicables a las fuerzas dinámicas ejercidas por fluidos en movimiento. Para un gas real como el aire, se aplica el principio de energía. El caso de ventilación de minas es un ejemplo del proceso de flujo permanente, que significa, que ninguna de las variables cambia con el tiempo. Por ejemplo, en un punto cualquiera, la velocidad de las sucesivas partículas que ocupan ese punto en los sucesivos instantes es la misma. La energía total en cualquier sección del ducto de un fluido en movimiento se compone de la suma de las energías de estática interna, la velocidad y la energía potencial y del calor. Si consideramos dos secciones del conducto de un fluido ideal en movimiento, tales como 1 y 2; entonces el total de la energía en sección 1 es igual al total de la energía en sección 2. Total energía1 = total energía2

(4.1)

Z 2

Z 1

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Sustituyendo en la expresión varias energías existentes, se obtiene la ecuación general de energía, que se conoce como ecuación de Bernoulli, aplicable a todo flujo de fluidos ideal y en términos de presión es: 2 2 P1 V1 P2 V2 (4.2)   Z1    Z2 w 2g w 2g Donde: P  Presión estática o energía de presión, es la presión resultante de la energía interna w del fluido, sin importarle el flujo; ésta presión actúa en todas las direcciones. V2  Presión de velocidad, es el resultado de la energía cinética del fluido. 2g Z = Es la presión resultante de la energía potencial del fluido como resultado de su posición La ecuación 4.2 es para un fluido ideal donde no existen pérdidas internas por fricción. Sin embargo en nuestro caso el aire es un fluido real donde existe una pérdida de presión como resultado del flujo a través de las labores mineras. Por lo tanto, la ecuación de Bernoulli se modifica al sumar las pérdidas por fricción entre dos puntos 1 y 2; siendo la ecuación como sigue: 2

2

P1 V1 P V   Z1  2  2  Z 2  H 1 w 2g w 2g

(4.3)

Aceptando la equivalencia de energía específica y expresando en términos de caída de presión, la ecuación 4.3 puede expresarse, en forma de caída de presión de la siguiente manera: HS1+ HV1 + HZ1 = HS2+ HV2 + HZ2 + Hl (4.4) Donde: HS = Caída estática. HV = Caída de velocidad HZ = Caída potencial Hl = Pérdida de presión o caída de presión Todas estas variables deben ser expresadas en unidades de pulg de agua Ejemplo: Demostrar que la energía total en un punto 1 es igual a la energía total en otro punto2, de un conducto colocado horizontalmente y verticalmente. La pérdida de presión entre los puntos 1 y 2 es igual 3”. Se asume que el punto 1 está ubicado al nivel del mar (1 Atmósfera = 14.7 psi = 407 pulg de agua o 10.3 m de agua) y el valor de otras variables está indicado en la figura. Solución:

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Para un ducto en posición horizontal y empleando presiones absolutas se calcula, en pulg de agua, de acuerdo a la ecuación 4.3: (4+407) + 1 + 0 = (1+ 407) +1 + 0 + 3 412 = 412 (o 10.465 mm. = 10.465 mm.) Cabe señalar, que de no existir una diferencia entre el punto 1 y el 2 el término “Z” se elimina en la ecuación, en este caso ponemos cero en ambos . También podemos hallar usando solamente las presiones medidas: 4+1+0=1+1+0+3 5 = 5 (o 127 mm. = 127 mm.) Cuando el ducto está en posición vertical: Escribiendo la ecuación de la energía con presiones absolutas, tenemos: (4 + 407) +1 + 0 = (1 + 406) +1 + 1 + 3 412 = 412 pulg de H2O Sin embargo, usando solamente las presiones medidas, tenemos: 4+1+0=1+1+1+3 5  6 pulg de H2O ( o 127 mm.  152 mm.) Este cálculo tomando solamente las presiones medidas es incorrecto porque se desprecia la presión atmosférica que siempre es diferente con el cambio de elevación. Esta dificultad puede ser evitado por siempre basando todos los cálculos en presiones absolutas. Sin embargo, esto es incómodo y no se acostumbra en la práctica de los cálculos de ventilación de minas. Como el aire es un gas compresible y tiene una pequeña variación de su densidad por la diferencia de elevación, entonces aplicando la ecuación de Bernoulli a las columnas de ventilación, la variable HZ puede ser omita en la ecuación general; expresando la ecuación 4.4 sin la diferencia de elevación tenemos. HS1 + HV1 = HS2 + HV2 + Hl (4.5) Esto indica que al aplicar la ecuación de Bernoulli a las columnas de ventilación, el término Z, puede en la mayoría de los casos ser ignorado porque las columnas de ventilación generalmente son instaladas casi a la misma elevación. Si no son exactamente horizontales, la diferencia de elevación es lo suficientemente pequeña que puede ser ignorada. Las presiones en la ecuación de Bernoulli son presiones absolutas. Siendo Hl la pérdida de carga o pérdida de presión producida a causa del roce con las paredes del medio real donde el aire se mueve de sección 1 a sección 2. Esta ecuación (4.4) es correcta para ductos en cualquier posición, mientras que toda la medición de la presión estática y cálculos son hechos sobre una medida de presión básica en referencia a la presión atmosférica existente en el punto de medición. Usando esta técnica, para el ejemplo anterior y para un ducto en posición horizontal tenemos: 4+1=1+1+3 5 = 5 (o 127 mm. = 127 mm.) Cuando el ducto es vertical, tenemos: 4+1=1+1+3 5 = 5 (o 127 mm. = 127 mm.)

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El resultado obtenido al de horizontal es idéntico. Este cálculo basado en presiones medidas es correcto, porque los cambios son compensados en ambas elevaciones. Ocurre una excepción en la medición y cálculo de caídas de ventilación natural, en el cual la diferencia de elevación no puede ser omitida. 4.2 RESISTENCIA DE LABORES MINERAS AL MOVIMIENTO DEL AIRE. En 1850 el Ing. de minas el inglés John Atkinson inicia el interés por el estudio de caída de presión en un sistema de ventilación de minas y establece las bases para el desarrollo de este estudio. En base a los principios de Darcy – Antoine Chezy (1719-1798), Atkinson halló que la diferencia de presión requerida para inducir el movimiento del aire por las labores subterráneas, es proporcional al cuadrado de la velocidad, longitud del recorrido y el perímetro de la galería e inversamente proporcional al área de la misma. Esto significa, que mientras el conducto de ventilación sea de mayor tamaño, más baja será la resistencia (R) del conducto y por consiguiente menor caída de presión. Esta fórmula de Atkinson para determinar las pérdidas de presión en ventilación de minas es: KLOV 2 H= , a la densidad estándar del aire de 0.075 lbs/ft2. (1.2 Kg/m3) (4.5) A Para expresar esta fórmula en función del caudal de aire, se reemplaza V = Q/A y la fórmula se convierte en: H=

KLO Q 3

2

, lb/ft2.

(4.6)

A

Para cambiar esta pérdida de presión H de lbs/ft2 a pulg H2O, se reemplaza por 1 pulg H2O = 5.2 lbs/ft2 ó 249 Pa. KOLQ 2 H= (4.7) 5.2 A 3 Donde: H = caída de presión, en pulg H2O. lbs  min 2 K = Coeficiente de fricción, ft 4 Q = caudal de aire circulante, en CFM (ft3/min). L = longitud de la labor, en pies. O = perímetro del conducto, en pies. A = área de la labor, ft2. 5.2 = factor de conversión lbs/ft2 a pulg H2O. Esta fórmula de Atkinson es aplicable a toda corriente turbulenta ( veloc  a 5 m/min). Por otro lado, se considera un factor de fricción “K” que depende del tipo de labor, irregularidades de la superficie de las paredes y la longitud del ducto o conducto. lbs  min 2 K = Coeficiente de fricción, (Ns2/m4) 4 ft Este valor de K se obtiene directamente de la tabla No.4, de acuerdo al tipo de roca y características geométricas longitudinales del conducto o labores mineras y está dada

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para minas situadas a nivel del mar; para las minas ubicadas en alturas se hace la corrección respectiva según la densidad del aire mediante la siguiente relación: Kcorregida = Kc = fc x K. Pe.aire.del .lugar fc = 0.075 Esta forma de determinar el coeficiente de fricción (K) ya no es recomendable, puesto que actualmente se cuenta con una serie de relaciones matemáticas que se adecua mejor para los cálculos: 1,855 x10 6 (4.8) K 2   2e  6,67 1,74  2 log   Dh   Donde: K: Coeficiente de fricción del conducto (lb min2/pie4) e: Espesor de las irregularidades de la sección transversal del conducto (m) Dh: Diámetro hidráulico del conducto (m).

A = Área de la labor, m2 P = Perímetro de la labor La ecuación 4.8 fue deducida por el Ing. Cam Seeber de nacionalidad Canadiense, relacionando la Fórmula de Atkinson que sirve para Cálculo de Ventilación de Minas, con las Fórmulas científicas de Karman Plandtl y Colebrooke-White de dinámica de fluidos, en el que el parámetro principal es la rugosidad de la sección transversal de los conductos. El procedimiento de medición es el siguiente (Ver figura 4.1): 1. Establecer tramos de 10 m. en un conducto 2. Establecer 8 estaciones de medición: 2 en cada pared lateral del conducto, 2 en el techo y 2 en el piso 3. Ubicar 2 puntos en cada estación establecida 4. Extender una cuerda entre los 2 puntos de cada estación 5. Medir los espacios entre la pared del conducto y la cuerda 6. Obtener el promedio de los espacios medidos, el cual representa el espesor (e) de las irregularidades del conducto. La ecuación 4.7 también se puede expresar por: H = RQ2. (4.9) Donde: inH 2 O min 2 KOL R= , en , que es la resistencia de las labores mineras al paso del aire ft 6 5.2 A 3 y se le denomina también “factor de resistividad” propio del conducto. La facilidad o dificultad de ventilación de una labor depende del valor de “R”. Puede reducirse R disminuyendo el valor de K, su longitud o aumentando el área.

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Fig. 4.1: Estación de ventilación

La resistencia también se puede expresar en otras unidades, como en: Francia y URSS = Kilomurgues = Ku = 1000 murgues Alemania = Weisbach = 1 Ku Inglaterra en Atkinson = 0.0061 Ku La resistencia (R) es el factor inherente a la mina que se opone al paso del aire, y depende básicamente de: a) La rugosidad (K) del conducto. b) Sus características geométricas (S/A3), S = OL = Es la superficie de fricción. c) La densidad del aire que fluye a través de él () Ejemplos de aplicación. 1.- Seleccionar el factor de fricción “K” al nivel del mar y a 4,214 m.s.n.m para un tramo de conducto en roca ígnea altamente irregular, levemente sinuoso y obstruido moderadamente; la temperatura media es de 10°C. Solución:

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2.- El crucero del nivel 70, cuyas características y datos son: labor recta, limpia, irregularidades de superficie, área y alineación promedio: Área = 12’ x 9’ = 108 ft2. Longitud (L) = 419.94 ft. Perímetro (O) = 42 ft. El crucero está ejecutado en roca ígnea, el peso específico del aire en NV 70 es 0.047 lb/ft3. Determinar la resistencia de la labor.

Solución:

4.2.1. PÉRDIDAS DE PRESIÓN (H1) Cuando una cantidad de aire Q circula por un elemento del circuito (galerías, pozos, chimeneas, etc.) existe una pérdida de carga por fricción y por choque; en otras palabras, la energía suministrada a un fluido ya sea por medios naturales o mecánicos para mantener el aire en movimiento, es consumida íntegramente para vencer las pérdidas de presión (H1) que son originan por la resistencia de las labores mineras. En este flujo de aire se distinguen dos tipos de pérdida:  Pérdidas por fricción, Hf.  Pérdidas por choque, Hx. Las cuales están relacionadas por H1 = Hf + Hx. LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR FRICCIÓN (Hf). Llamadas también pérdidas de cabeza, son originadas a lo largo de un conducto recto libre de toda obstrucción y de sección constante, por el rozamiento de las partículas del aire en un flujo lineal contra las paredes y entibados de las labores mineras. Estas pérdidas representan el 70% a 90% de la pérdida total de presión en el sistema de ventilación. Estas pérdidas dependen de las condiciones de rugosidad de las paredes del conducto y de la velocidad del aire. Pueden calcularse algebraicamente así como gráficamente (mediante ábacos). El método algebraico usual es aplicando la ecuación de Atkinson: KOLq 2 Hf = Rq2 = (4.10) 5.2 A 3 Esta fórmula es de uso general. Sin embargo, su uso tiene inconveniente por el valor de K tan pequeña, que usualmente está expresado en decimales, tal como 100 x 10-10 ó 0.0000000100. Para evitar este inconveniente el Q se expresa en unidades de 100 000,

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q = q x 10-5 ó q = Q x 100 000 y sustituyendo este valor en la ecuación 100,000 (4.10), se tiene: Kx10 10 OLQ 2 x1010 Hf = = RQ2 (4.11) 3 5.2 A Donde: Hf = caída de presión por fricción, en pulg H2O. pu lg H 2 O. min 2 R = Resistencia del conducto, ft 6 como Q =

K = Coeficiente de fricción,

lbs  min 2 ft 4

Q = caudal de aire circulante, en CFM (ft3/min) y en unidades de 100,000 (

q ) 100,000

L = longitud de la labor, en pies. O = perímetro del conducto, en pies. A = área de la labor, ft2. 5.2 = factor de conversión lbs/ft2 a pulg H2O. Cuando trabajamos con otras densidades de aire que el estándar, se corrige:

H f  RQ 2 x



(4.12)

0.075

Donde:  = densidad del aire en el lugar. Nota: Esta corrección se aplicará, siempre en cuando, que todavía no se ha corregido previamente el valor de K por este factor de corrección. Ejemplo de aplicación: Determinar las pérdidas de presión por fricción, para el cual se tiene las siguientes características:  La labor subterránea es bastante sinuoso y ligeramente obstruido, tiene cuadros de sostenimiento.  La longitud es de 810 ft  El caudal de aire que fluirá es de 20,000CFM.  El área de la sección es de 200 ft2.  El perímetro es de 60 ft  La densidad del aire es de 0.075 lb/ft3 Solución.

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LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR CHOQUE (Hx). Es la pérdida de presión por impacto del aire en movimiento por encontrarse con la presencia de diferentes accidentes como los cambios de dirección de los conductos, cambios de sección transversal, bifurcaciones, uniones, regulaciones, isión y descargas y todas las obstrucciones presentes en el sistema de ventilación. Se les da el nombre genérico de pérdidas locales (debido a su carácter localizado en el circuito) y su magnitud se expresa usualmente en términos de “longitud equivalente” (Le), donde dichas obstrucciones equivalen a una galería recta adicional, con este fin se utiliza la tabla de longitudes equivalentes (tabla 5). Estas pérdidas representan del 10% a 30% de la pérdida total de la presión y constituyen caídas bruscas en la energía cinética del aire. Las longitudes equivalentes siempre se le suma al conducto siguiente. Igualmente se calcula usando la ecuación generalizada de Atkinson:

Hx 

KOLe Q 2 , en pulg H2O 5.2 A3

(4.13)

Considerando las dos pérdidas de presión del sistema (presión estática) tenemos: Hs = H1= Hf + Hx = Hs

=

OLq 2 5.2 A 3

KOLe Q 2 + 5.2 A 3

KOL  Le Q 2 5.2 A3

, en pulg H2O.

, en pulg H2O

(4.14)

Ejemplo de aplicación: 1.- Se ha previsto avanzar una galería recta de 800 m sin revestimiento, pero con las paredes relativamente lisas, cuyo factor de fricción será aproximadamente K = 0.014 Kg/m3. Se trata de una galería rectangular de 2 x 3 m a través de la cual circulará un flujo de aire de 130 m3/min. Calcular la caída de presión. Solución.

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2.- En la siguiente figura, determinar las longitudes equivalentes (Le):

AB BC CD DE EF FG GH HI

Sección 10`x20´ 8´x 8´ 8´x 8´ 5´x 7´ 5´x 7´ 5´x 7´ 5´x 7´ 10´x 20´

L 800´ 800 350 100 250 100 400 800

Le

L+Le

Solución.

3.- Determinar las pérdidas de presión por fricción y choque de un flujo de aire de 25,000 CFM que atraviesa una galería de 800 ft de longitud. La galería atraviesa una roca intrusiva que tiene desviaciones moderadas y está libre de cualquier obstrucción. El área promedio de la sección es 200 ft 2, la densidad del aire es 0.065 lb/ft3, el perímetro promedio es de 60 ft. Solución.

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CAPITULO V RED DE VENTILACION DE MINAS. 5.1 CIRCUITOS DE VENTILACIÓN. Las labores mineras por donde circulan el aire en interior mina, están interconectadas entre sí formando "circuitos de ventilación". La forma cómo se encuentran interconectados deciden la manera cómo se distribuirá el caudal de aire en tales circuitos; asimismo en los circuitos, el aire fluye desde un punto de alta presión hacia un punto de baja presión. Una mina tiene varios ramales de distinto tamaño y longitud, las que están interconectadas para formar una red muy complicada, donde probablemente están instalados uno o más ventiladores en alguna parte del circuito. Solamente en base al levantamiento de ventilación de minas, se identifican los ramales de ingreso y de retorno del aire, si la ventilación es natural o mecánica, cómo están ubicados los ventiladores, etc. Luego se debe establecer los circuitos de flujo de aire para toda la mina, los cuales para su mejor apreciación deben ser señalados en los planos de ventilación de cada nivel. Los circuitos forman una red que están subdivididas en ramales, nudos (uniones) y mallas. Se denomina RAMAL a todo tramo o conducto entre dos nudos. Se denomina NUDO O UNIÓN a un punto del circuito donde se unen dos o más ramales o conductos. Se denomina MALLA (mesh) a los ramales y nudos que forman el circuito cerrado de ventilación. Se denomina RED una cadena interconectada de mallas. El siguiente diagrama es la representación muy simplificado de la mina.

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En esta red de ventilación: ABC, CDEFGH, KJL, HK, HL, LMNP son ramales. Los nudos

son en: C, H, K, y L. Las mallas son: CDEFGHKC, HKJLH La Red es desde: A (ingreso) hasta P (salida). 5.2 CIRCUITOS DE VENTILACIÓN Y MÉTODOS DE SOLUCIÓN.  Los circuitos de ventilación son: - Conexiones en serie y paralelo, que son circuitos simples. - Conexión en diagonal - Conexión combinada o mixta. Los métodos de solución de los circuitos de ventilación son: 1. La solución por resistencia equivalente. 2. La solución analítica, según las: - Leyes de Kirchhoff's. - Técnicas iterativas o aproximaciones sucesivas de Hardy Cross 3. La solución por modelos físicos. 5.2.1 LA CONEXIÓN EN SERIE. Se caracteriza porque el flujo de aire se mueve sin que ocurran bifurcaciones, a través de labores mineras conectadas extremo a extremo, por lo que el caudal de aire permanece constante.

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Las propiedades del flujo en serie son: 1. La resistencia total es igual a la suma de las resistencias parciales de labores subterráneas, incluyendo las resistencias locales que existan en el ramal. R = R1 + R2 + R3 + ………+ Rn 2. El volumen total de aire es el mismo a través de todo el circuito, desde que ingresa hasta que sale de la labor subterránea. Q = Q1 = Q2 = Q3 = Q4 = ..... 3. La depresión total del sistema en serie es igual a la suma de las depresiones de cada ramal. Ht = H1 + H2 + H3 + H4 + ……..+ Hn Ht = R1Q2 + R2Q2 + R3Q2 + …….+ RnQ2. Ht = ReqQ2. 4. En labores subterráneas conectadas en serie, los requerimientos de energía eléctrica son altos, porque requiere mayor energía para vencer las fuerzas opuestas que se generan por fricción y trasladar el peso del aire, que son fuerzas o resistencias acumulativas 5. La correlación entre la abertura equivalente total A del sistema de labores en serie y la abertura equivalente ai de las galerías particulares esta expresado del modo siguiente: 1 1 1 1  2  2  ..........  2 2 A a1 a2 an Una vez calculado y analizado este sistema, nos señalan cuál es el tramo resistente de la mina que debe ser inspeccionado para mejorarlo y ver el modo de reducir esta resistencia. 5.2.2 LA CONEXIÓN EN PARALELO. En este tipo de circuitos la corriente de aire tiene dos o más ramales que salen de un nudo y luego se juntan en otro nudo común. Este tipo de conexiones se denomina circuitos cerrados.

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B

C

H CIRCUITO CERRADO También cuando dos o más galerías parten de un punto y se comunican en el otro extremo con la atmósfera, el flujo de aire que circula a través de esos conductos se denominan circuitos abiertos y tienen igual depresión.

CIRCUITOS ABIERTOS

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Las características de los circuitos en paralelo son: 1. La característica básica de los circuitos en paralelo es que las caídas de presión de cada ramal son iguales entre sí, independientemente de la longitud de su trayectoria, la resistencia y el cantidad de aire que circula, porque la depresión es la diferencia de presiones entre el principio B y el nudo C de las galerías mostradas en la figura, los cuales (depresiones) son comunes para cada uno de los ramales. H = H1 = H2 = H3 = ……… ó RQ2 = R1Q12 = R2Q22 = R3Q32 = RnQn2 2. El caudal total de los circuitos en paralelo es igual a la suma de los caudales parciales de cada ramal. Q = Q1 + Q2 + Q3 + ..........+ Qn. 3. La resistencia equivalente (Re) será siempre menor que cualquiera de las resistencias individuales que constituyen el circuito. Asimismo, cuanto mayor sea “n” (es decir, cuantos más ramales tenga la conexión en paralelo), menor será la resistencia equivalente del circuito y como consecuencia la ventilación del sistema será mucho más fácil. La resistencia del sistema en paralelo, se deduce a partir de la siguiente expresión: RQ2 = R1Q12 = R2Q22 = R3Q32 = RnQn2 Extrayendo la raíz cuadrada a todos los de la expresión, se tiene:

1 1 1 1    R R1 R2 R3 Si se tuviera n ramales entre los nudos B y C, la resistencia entre B y C (denominada también resistencia equivalente) sería: 1 1 1 1 1     .......  R R1 R2 R3 Rn La resistencia equivalente (Req = R) será:

   Req    1   R 1 

2

1 1  R2

1  ....  R3

   10 2 6  x10 inH 2 O min / ft 1  Rn 

Igualmente, la norma divisor del caudal: ReqQ2 = R1Q12 = R2Q22 = R3Q32 = RnQn2. Req Q 2 2 Q1  R1

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Q1  Q

Req

Q2  Q

Req

R1 R2

(5.7)

; ; etc

(5.8)


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Si las resistencias de todos los ramales fueran iguales (R = R1 = R2 = ...= Rn ). 1 n Se tendrá:  R Rn n = número de ramales. R Es decir: R = 2n n R Así: Rtotal = 1 para un sistema con 2 ramales o galerías de igual R; significa que la 4 resistencia total es 4 veces menor que la de un solo ramal. 4. La abertura equivalente de varias galerías conectadas en paralelo se determina por la fórmula: A = a1 + a2 + .....+ an. Significa, que cuanto más grande es el número de galerías conectadas en paralelo y la corriente principal que se distribuye entre esos ramales, tanto más fácil será la ventilación de la mina, porque la resistencia equivalente que existirá entre ellos será menor. 5. El costo de la energía eléctrica que se necesita para hacer circular el aire en la mina se reduce fuertemente, para todo circuito en paralelo. 6. Cada tajo debe ser un ramal de un circuito en paralelo para abastecer el aire fresco con la velocidad mínima de transporte y en cantidad necesaria. 5.2.3 CONEXIÓN EN DIAGONAL. Los circuitos en diagonal es cuando 2 galerías en paralelo se conectan entre sí por una o varias galerías complementarias. En las minas estas uniones se encuentran frecuentemente. Cuando la conexión es con una sola diagonal se llama circuito diagonal simple.

Cuando la conexión es con 2 o más galerías intermedias se llama red diagonal compleja.

Estos circuitos compuestos pueden ser resueltos por un método conocido como de transformación de triángulo en estrella. La característica particular de las conexiones en diagonal, es que el aire puede circular en cualquier dirección o simplemente no circular, dependiendo de las resistencias de los otros ramales del circuito, inclusive puede haber reversión de flujo.

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Por ejemplo, si la resistencia del ramal 5, 9 es mayor que la del ramal 5, 8, 9 parte del aire se desviará en el nudo 5 hacia el punto 8. Si la resistencia del ramal 8, 9 es mayor que la del ramal 8, 5, 9 una parte del aire se desviará del punto 8 hacia el punto 5. El aire no circula por la diagonal 5-8 cuando las presiones del aire en 5 y 8 son iguales, en este caso H7 = H5 y H8 = H6, H7

8

H 8

4 Q

9 H5

Q

H6

5

5.2.4 CONEXIÓN MIXTA O COMBINADA. Son circuitos complejos de la mina desde el ingreso del aire hasta la salida de la misma, donde no se puede reconocer las conexiones en serie, paralelo o diagonal. En este caso, la depresión de toda la mina se calcula después de haber elaborado el circuito de ventilación y calculado el caudal de aire necesario y la distribución del mismo por todas las labores subterráneas en trabajo. En los circuitos complejos se recurre a otros métodos de cálculo más complejos que requieren instrumentos o programas computacionales. Así tenemos: 1. Métodos numéricos de aproximaciones sucesivas, conocido como algoritmo de Hardy Cross. 2. Métodos analógicos, usando analizadores de redes de flujo, mediante un circuito eléctrico de bajo voltaje. 3. Método de H caminos 4. Modelos físicos, etc. A) MÉTODO DE TRANSFORMACIÓN DEL TRIÁNGULO EN ESTRELLA. EN CIRCUITOS COMPLEJOS. Por analogía con el cálculo de las redes eléctricas, en los cálculos de sistemas de ventilación, se utiliza la transformación del triángulo en estrella de 3 rayos. Así el ∆ABC puede ser reemplazado por su equivalente estrella con radios: AO, BO, y CO.

Si asumimos que el aire entra por el punto A y sale por B; entonces para el triángulo, la resistencia entre estos puntos se determinará como la resistencia común de 87


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ramificaciones paralelas AB y ACB. Para la estrella esta resistencia será igual a la suma de resistencias de las secciones AO y OB:

R R  R  R  R  R  2 R R  R 

(I)

Por analogía se determina el resto: R2 R1  R3 R23 + R12 = R1  R2  R3  2 R2 R1  R3

(II)

R13 + R12 =

1

1

R13 + R23 =

2

2

3

3

1

2

3

R R  R  R  R  R  2 R R  R  3

1

2

1

3

2

3

1

(III)

2

Sumando las ecuaciones (I) y (II) y restando la ecuación (III), y Designando: R1 + R2 + R3 = ∑R, tenemos:  R1  R  R1  R2  R  R2    1   R  2 R1  R  R1  R  2 R2  R  R2   R12 =   2  R  R3   R 3      R  2 R3  R  R3 

Por analogía se determina el resto:  R3  R  R3  R 2  R  R2    1   R  2 R2  R  R2   R  2 R3  R  R3   R23 =   2 1  R  R1  R     R  2 R1  R  R1   R 3  R  R3  R1  R  R1   1   R  2 R3  R  R3  R  2 R1  R  R1  R13 =   2  R  R2   R 2      R  2 R2  R  R2  

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(5.10)

(5.11)

(5.12)


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B) SOLUCIÓN ANALÍTICA SEGÚN LAS LEYES DE KIRCHHOFF’S. Dos leyes fundamentales gobiernan el comportamiento de los circuitos eléctricos que ha sido desarrollado por un físico germano Gustav Robert Kirchhoff’s (1824-87); estos leyes fueron aplicados por analogía en el análisis de los circuitos de ventilación. Primera Ley de Kirchhoff’s establece para redes de ventilación en minas, que la suma algebraica de todo flujo de aire en cualquier nudo es cero, Q = 0, significa “que la cantidad de aire que sale de un nudo es igual a la cantidad de aire que entra al nudo”; entonces para los cuatro conductos de ventilación que se encuentran en un punto común, se tiene: Q1 + Q 2 = Q 3 + Q 4

También la cantidad de aire que sale de un nudo se define como positiva, y el caudal de aire que entra es negativo; la suma de estos 4 caudales es cero. Q1 + Q2 - Q3 - Q4 = 0 Ejemplo: Determine el valor y la dirección del caudal Q4, cuando el resto de los caudales se conoce Q1 = 200,000 CFM. Q2 = 300,000 CFM. Q3 = 900,000 CFM Solución. Q1 + Q 2 - Q3 - Q4 = 0 Q4 = Q 1 + Q 2 - Q3 Q4 = 200,000 + 300,000 – 900,000 Q4 = - 400,000 CFM El signo (-) indica que la dirección del caudal Q4 debe ser de dirección contraria de la indicado.

Segunda Ley de Kirchhoff’s, en forma análoga establece que la suma algebraica de las caídas de presión de todos los ramales integrantes de una malla es cero, H = 0.

Para la aplicación de esta ley, dentro de la malla del circuito de aire de los conductos a, b, c y d, se asume un circuito cerrado convencional con líneas entre cortadas, tomando en sentido de las agujas del reloj, que también puede adoptarse en sentido contrario; en esas

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condiciones, la suma de las caídas de presión alrededor del circuito cerrado es como sigue: H = Ha + Hb + Hc – Hd = 0 Ha, Hb y Hc son positivas cuando el Q1 fluye en la misma dirección del circuito cerrado asumido; mientras Hd es negativa cuando Q2 fluye en sentido opuesto a la dirección del circuito cerrado asumido. La ecuación anterior se puede expresar en términos de resistencia y caudal: H = Ra Q12 + RbQ12 + RcQ12 – RdQ22 = 0 H = Ra Q1Q1 + Rb Q1Q1 + Rc Q1Q1 – Rd Q2Q2 = 0 La Ley de Kirchhoff’s toma en cuenta cualquier presión de origen (ventilador o ventilación natural). Otro teorema que expresa para hallar el mínimo número de mallas para solucionar ramales complejos es la siguiente: Nm = Nr – Nn + 1 (5.9) Donde: Nm = Número de mallas. Nr = Número de ramales Nn = Número de nudos. Ejemplo de aplicación: Se da una red compleja, como se muestra en la siguiente figura. Determine la localización de los reguladores, cuando se da los valores de Q en CFM y los valores de resistencia en 10-10 x in.min2/ft6: Q1 = 80,000 R1 = 1.3 R4 = 1 Q2 = 70,000 R2 = 1.8 R5 = 1.4 Q5 = 10,000 R3 = 0.7 B 1

3

A

5

D

2 4 C

Solución 1) Calculamos Q3, aplicando la primera Ley de Kirchchoff's en el nudo B Q3 + Q 5 - Q1 = 0 Q3 + 10,000 = 80,000 Q3 = 70,000 CFM Para hallar Q4, se aplica la primera Ley de Kirchchoff's en el nudo C: Q4 - Q5 - Q2 = 0 Q4 - 10,000 - 70,000 = 0 Q4 = 80,000

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Hallamos las caídas de presión, con la fórmula H = RQ2 H1 = 1.3 (0.8)2 = 0.832 pulg.H2O H2 = 1.8 (0.7)2 = 0.882 pulg.H2O H3 = 0.7 (0.7)2 = 0.343 pulg.H2O H4 = 1.0 (0.8)2 = 0.64 pulg.H2O H5 = 1.4 (0.1)2 = 0.014 pulg.H2O Para determinar la cantidad y localización de los reguladores, se aplica la segunda Ley de Kirchchoff's, que previamente debe ser satisfecha por número de mallas: Nm = Nr - Nn + 1 Nm = 5 - 4 + 1 = 2 mallas. Por otro lado, la regulación del aire se basa en su propiedad de que, en el contorno cerrado de la ramificación, las depresiones de las corrientes paralelas son iguales. Los reguladores son recomendables colocar en circuitos principales. B

1 3 A 5 2

D 4 C

En la malla 1: entre A y C, 1 y 5 es paralela a 2, se evalúa donde se debe colocar. En la malla 2: entre B y D, 5 y 4 es paralela a 3, se evalúa donde se debe colocar. En malla 1, aplicando la 2da Ley de Kirchchoff’s = (H1 + Hx1) + H5 - H2 = 0 (0.832 + Hx1) + 0.014 - 0.882 = 0 Hx1 = 0.036 pulg.H2O El primer regulador serrá ubicado en el ramal 1, con caída de presión Hx1 = 0.036”H2O En malla 2, aplicando la 2da Ley de Kirchchoff’s = (H3 + Hx3) + H4 - H5 = 0 (0.343 + Hx3) - 0.64 - 0.014 = 0 Hx3 = 0.311 pulg.H2O El segundor regulador se ubicará en el ramal 3, con caída de presión Hx3 = 0.0311”H2O Intentando localizar un regulador en los ramales 2 ó 4, resultaría un valor de pérdida negativo, que indicaría una presión creciente, el cual es imposible obtener desde un regulador. Por eso, el ramal 2 y 4 son eliminados como posible localización de reguladores. Para obtener la cantidad deseada solamente es posible localizar en los ramales 1 y 3.

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5.3 DISTRIBUCIÓN DE CAUDAL DE AIRE. En un sistema de ventilación de minas, la distribución de aire es la asignación de caudal de aire, en cantidad y calidad necesaria, al interior de las diferentes labores de la mina, a fin de garantizar los ambientes subterráneos aptos para el normal desempeño de los trabajadores y la operación óptima de las instalaciones y equipos. La corriente de aire a través de las labores subterráneas, se distribuirán de manera natural de acuerdo a las características de resistencia del conducto, pero difícilmente se logrará que todas las labores en trabajo tengan la cantidad de aire que necesitan. Esto exige una redistribución efectiva del caudal de aire hacia los diferentes sectores de la mina, en función de la necesidad y uso del aire, y el adecuado uso de los diversos dispositivos de control de flujos. La distribución de caudal de aire se da por: Ramificación natural, y Ramificación controlada.

Por ramificación natural, el aire se desplaza por el conducto de menos resistencia y el requerimiento del aire en cada conducto no siempre es satisfecha. Si se pone en el ramal 1 algún dispositivo de distribución, el aire se desplazará con mayor caudal por el ramal 2 y 3. Por eso un dispositivo que se coloque es una resistencia artificial instalada en el split de menor resistencia Por ramificación controlada, se asume que las resistencias de la red, el caudal y la dirección del aire, están perfectamente definidas; luego el cálculo se reduce a determinar los requerimientos de presión, el tamaño y la localización de aquellos dispositivos. La distribución del aire se realiza mediante el uso de los dispositivos de control de flujos que son las puertas de ventilación, tapados, reguladores y ventiladores booster, instalados para este fin (distribución) al interior de los circuitos principales y secundarios de ventilación.

PUERTAS DE VENTILACIÓN

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El método más sencillo y barato para la regulación del caudal y la presión del aire, es aumentando las pérdidas hidráulicas o resistencias en los conductos mediante el uso de REGULADORES.

REGULADOR. El regulador es una abertura en un tapón en las vías de ventilación, que puede ser equipado con una puerta regulable o deslizante. Los reguladores se utilizan para controlar y redistribuir el flujo de aire en un ramal, causando una contracción y expansión simultánea de aire al pasar por dicha abertura. El tamaño de la abertura se determina en función de la resistencia o pérdida de presión por compensar. También es una obstrucción o resistencia artificial en un conducto, construido para regular la distribución de la cantidad de aire en zonas de trabajo de la mina. Cuanto mayor es la sección del regulador menor es la pérdida de presión por choque. La resistencia que ofrece los reguladores debe sumarse a la resistencia del conducto. En la práctica los reguladores se instalan como puertas o ventanas corredizas que dejan pasar un volumen calculado y prefijado de aire. Para dimensionar los reguladores se requiere conocer la resistencia del ramal donde se va instalar, la cantidad de aire que fluye actualmente por ese ramal y la cantidad menor de aire que deberá pasar una vez instalada.

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La nueva estática de la galería de menor volumen de aire, se obtiene a partir de la ley básica de ventilación: 2

H H

1 2



Q1

Q2

2

Donde H2 será mucho menor que H1, y la presión que deberá tener el regulador será la diferencia entre H1 - H2 = Hr, puesto que H2 es la suma de la resistencia antes y después del regulador entre el inicio y el fin de este ramal. El tamaño del regulador se determinará, conociendo la pérdida de presión por choque que necesita ser creada por el regulador, la presión de velocidad (Hv) y el área del conducto (A) donde se construirá dicho dispositivo, mediante el siguiente procedimiento: 1. Determinar el factor de choque (X). X=

H H

x

(5.4)

v

Hx = Caída de presión del regulador, en pulg H2O. Hv = Presión de velocidad o factor de velocidad, en pulg H2O. 2. Seleccionar el valor de factor de contracción Z , que varía con la configuración del borde del regulador. Redondeado = 1.50 Cuadrado = 2.50 Agudo = 3.80 Calcular: Z N= (5.5) X 2 X Z 3. Determinar el área del regulador (Ar): Ar = N x A (5.6) A = área del conducto. Ejemplo de aplicación: 1. Calcular el tamaño del regulador para la chimenea 8843, conociendo: Q = 15,000 cfm A = 4.6' x 4.6' Presión regulable = 0.1257 pulg H2O. Peso específico del aire = 0.0466 lb/ft3 Solución:

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También existen fórmulas que están disponibles para calcular el tamaño de reguladores. Una fórmula simple pero aproximada, conocida como la fórmula de orificio equivalente, es: a) Donde: A = Es el área del regulador, en ft2 (m2) Q = Es la cantidad de aire de ventilación, en cfm (m3/s) HX = Es la pérdida por choque disipado en el regulador, en pulg H 2O (Pa). También es la diferencia de la caída de presión, por lograr con regulador b) Donde: A = Es el área del regulador, en ft2 Q = Es el caudal en cfm y en unidades de 100,000 HX = Es la diferencia de la caída de presión, por lograr con regulador, en pulg H2O Ambas fórmulas son prácticamente iguales. 2. La pérdida de presión en el conducto de ventilación es de 720 Pa y la densidad del aire es de 1.058 Kg/m3. Determinar el tamaño del regulador para reducir el caudal de aire a 30 m3/s. Solución:

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5.4 RESISTENCIA EQUIVALENTE DE LA MINA. Cualquiera sea la forma de cómo están interconectados los diversos ramales que constituyen los circuitos de ventilación de una mina; siempre será posible reducir todo el circuito a una resistencia equivalente que será la que tiene que vencer el aire para circular a través de todas las labores existentes. Si el caudal de aire que circula a través de la mina es Qm y la pérdida de presión que experimenta entre el punto de ingreso y el de la salida es Hm, la resistencia equivalente de la mina será:

Rm =

H Q

m 2

H R1

m

R2

Hm = Rm Q2m

R1 > R2

Q

En general cuanto mayor es la resistencia R, más parada será la parábola; Asimismo, cuando el mayor número posible de ramales estén conectados en paralelo, se logrará reducir el valor de la resistencia equivalente de la mina, y por lo tanto reducir la curva característica de la misma. Esto permitirá lograr un mayor flujo de caudal de aire a través de las labores, disponiendo de la misma presión H. También la R es un valor constante para una mina dada. 5.5 LA CURVA CARACTERÍSTICA DE LA MINA La ecuación Hm = Rm Q2m tiene su representación gráfica en un sistema de ejes cartesianos, donde en el eje de las Y se representa la caída de presión Hm y en el eje X el caudal Qm. La gráfica de esta ecuación es una curva parabólica que pasa generalmente por cero de los ejes y se le conoce como "la curva característica de la mina". Ver el siguiente gráfico. Curva característica de la mina H

Hm = RmQ2

R1m

Rm Hm

Hm = R1m Q2

Ø1  Ø Ø1 menor pendiente

H1

H2

Q1

Q1m

Qm 96

Q


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El análisis de este gráfico es el siguiente: Que para una presión dada Hm circula a través de la mina un caudal Qm. Si se reduce la resistencia equivalente Rm a R'm, o sea a R'm < Rm, su curva característica variará, pero la misma presión Hm inducirá un flujo mayor como Qm1 respecto a Qm. Igualmente, cuanto mayor es la resistencia R, más parada será la parábola, y por consiguiente, para un mismo caudal Q1 mayor será la caída de presión como H1 respecto a H2. La curva característica de la mina define el comportamiento del aire que fluye a través de ella y su pendiente variará según como estén conectadas las diferentes labores que constituyen la red de ventilación. También la ecuación Hm = Rm Q2m expresa que existe una relación directamente proporcional entre la caída de presión total de la mina y el volumen de aire que circula a través de ella. Es decir, a mayor volumen de aire es mayor la presión estática o resistencia que ofrece el conducto y viceversa. Esta variación de la presión estática (Hm) depende del cuadrado de volumen de aire, como expresa la siguiente relación: H  Q2 Mediante esta relación podemos conocer la resistencia futura de las nuevas labores subterráneas donde circulará un caudal de aire; por lo que, la Ley básica que rige esta 2

relación es el siguiente:

H H

1 2



Q1

Q2

2

(5.1) Con esta ecuación se construye la curva característica o resistencia de la mina. La otra ecuación de flujo es Q = A x V, que se conoce como la ley de continuidad del flujo. Estas dos ecuaciones son las leyes básicas de ventilación de minas. 5.6 ORIFICIO EQUIVALENTE DE LA MINA. Para comparar la dificultad o facilidad de ventilar una mina y labores subterráneas particulares, se emplea el concepto de "abertura equivalente", que es un orificio circular imaginario de sección Am practicado en una pared delgada, a través del cual puede circular el mismo caudal de aire que circula en la mina, siempre que exista la diferencia de presiones reinantes de uno y otro lado de la pared o placa, sea igual a la depresión de la mina. Cuando la diferencia de presión (H1-H2) sea igual a la caída de presión a través de la mina (Hm), habrá una abertura de área Am para el cual el flujo es igual al caudal que fluye a través de la mina. Am se le denomina área del orificio equivalente de la mina. También cabe aclarar que la facilidad o dificultad de ventilación de una labor depende del valor de la R y no del coeficiente de rozamiento (K). La resistencia puede reducirse, ya sea disminuyendo el numerador o el coeficiente K, ya que L, O no son susceptibles de variaciones apreciables, o aumentando el valor del denominador A3. Ambas medidas están supeditadas a limitaciones económicas.

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R=

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KLO 3

A

El tamaño de la abertura equivalente se determina: Am = 1.19

Q H

m

(5.2) m

Qm = Caudal de aire en m3/seg Hm = Caída de presión en pascal (Pa) = Newton/m2 Am = Orificio equivalente, m2 También puede calcularse:

Am = 0.38

Q H

m

, en m2

(5.3)

m

Qm = m3/seg Hm = mm H2O Am = Orificio equivalente, m2 Atendiendo a la dificultad de ventilación, las minas se dividen Grado de dificultad de ventilación Minas estrechas difíciles de ventilar Minas medianas Minas anchas fáciles de ventilar

Orificio equivalente (A = m2)

Resistencia específica (R)

Temperamento

0–1

0.143

0–7

1–2

0.035 - 0.0143

7 – 28

≥2

0.0 - 0.035

> 28

La mayoría de las minas tienen orificios equivalentes entre 1 y 2 m 2, representando una situación intermedia. Las pequeñas aberturas equivalentes son características de las minas con labores estrechas de pocas corrientes de aire independientes y de gran longitud.

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5.7 SISTEMAS DE VENTILACIÓN Para que exista un flujo de aire a través de la mina, se requiere una fuente de energía que ponga el aire en movimiento, ó que exista una diferencia de presión en el sistema, las que puedan ser producidas por el tiro de aire natural, por fuerzas mecánicas o por ambas. Conforme a esos principios de flujo de aire, los sistemas de ventilación de minas se clasifican de acuerdo:  Los medios empleados para la remoción del aire, como ventilación natural, mecánica o combinada.  El punto de vista de la presión generada en los lugares a ventilar, como ventilación aspirante e impelente.  El punto de vista del servicio que presta, como ventilación Principal, Secundaria (booster) y Auxiliar. VENTILACIÓN PRINCIPAL. Es cuando beneficia a toda la mina o gran parte de ella, utilizando ventiladores que están instalados generalmente en superficie a la entrada o a la salida de labores principales de la mina. Estos ventiladores son los que tienen mayor presión estática y mayor volumen de aire. Pueden trabajar insuflando ó aspirando. Si trabajan aspirando originará un desgaste mucho más rápido de las paletas debido a la absorción de las partículas de polvo que se depositará en ellas. Si trabaja insuflando, se gasta mucho menos las paletas, pero si requiere colocar una puerta que evitará la recirculación del aire. VENTILACIÓN SECCIONAL. Es cuando se ventila una zona o área de la mina, instalando en conductos principales, los ventiladores secundarios (booster), con la finalidad de reforzar la corriente de aire, sobre todo en aquellas zonas donde la ventilación resulta crítica. Se caracteriza por el empleo de tabiques transversales, puertas de ventilación, etc a fin de evitar la recirculación de aire. Las puertas pueden ser automáticas, puertas de dos hojas y puerta pivote. Es necesario tomar en cuenta, que muchas veces resulta más económico emplear un ventilador secundario en un determinado ramal que emplear reguladores en otros. Los ventiladores secundarios pueden ser considerados como elementos de regulación "positiva" a diferencia de los reguladores y puertas que constituyen elementos de regulación "negativa".

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VENTILACIÓN AUXILIAR. La ventilación auxiliar es un sistema que se emplea para ventilar las labores o frentes ciegos en construcción como son: las chimeneas, piques, galerías, cruceros, etc. La característica de este sistema es el empleo de mangas de ventilación que pueden ser rígidas o flexibles. Pueden ser aspirantes e impelentes, se amplia en el acápite 6.3. 5.7.1 VENTILACIÓN NATURAL. La mayoría de las minas de nuestro país, dependen para su abastecimiento principal de aire, de la ventilación natural, algunas veces complementada en los frentes de trabajo con aire comprimido ó con pequeños ventiladores auxiliares. El aire de interior mina en su recorrido absorbe el calor en forma permanente, debido a que las rocas emiten calor por el fenómeno del gradiente geotérmico, el auto compresión del aire, la oxidación de rocas y minerales, y el calor que genera toda la explotación minera tanto convencional como mecanizada; por lo que el aire de la mina se incrementa en volumen manteniendo una presión constante y al mismo tiempo sufre una disminución 100


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de su densidad. Como consecuencia de todo este fenómeno, sobreviene el desplazamiento de la columna de aire caliente por la columna de aire más frío, que es la causa para generar el flujo de aire natural; por consiguiente la ventilación natural, es el flujo de aire que existe por la diferencia de alturas de la superficie y la entrada de la mina, y por las diferencias de temperatura del aire de interior y exterior de la mina. Esta variación de la temperatura hace variar la densidad del aire, que está influenciado en menor grado por la absorción de vapor de agua y otros gases. En estas condiciones la dirección que adopta el flujo de aire, es desde la columna más pesada a la más liviana. Presión de ventilación natural (Pvn). El flujo de aire que pasa a través de las labores mineras es originado por la presión de ventilación natural, que es independiente de la corriente de aire (caudal), y depende solamente de las diferencias de temperatura y de la altura de la columna de aire. Esta presión de ventilación proporcionada por medios naturales es frecuentemente inadecuado, sujeto a variaciones y difícil de controlar; por eso el uso de la ventilación por medios mecánicos es muy esencial en las minas. La curva característica de ventilación natural es una línea recta horizontal, puesto que un cambio del caudal de aire circulante no tiene efecto sobre la presión natural. La Pvn puede ser cambiado (subir o bajar) por modificación de la disposición de la mina, pero es independiente de la resistencia de la mina y caudal de aire. En las minas de alta resistencia la cantidad de aire que fluirá es inferior al de las minas de baja resistencia (Ver Fig. 5.3)

El cálculo correcto de la presión de ventilación natural esta basado en principios termodinámicos, aunque son muy complejos, pero producen mejores resultados. Sin embargo, el cálculo de la presión de ventilación usando las densidades de las dos columnas de aire (interior y exterior de la mina) y que tengan igual altura, tiende dar resultados razonablemente precisos para un cálculo rutinario de ventilación natural. Asimismo, los cambios continuos de temperatura durante el día, hace que la Pvn también cambia continuamente. Son cinco las fórmulas que dan resultados aproximados, tal como señala H.L.Hartman 1, y todas están basadas en la comparación de las dos columnas de aire de iguales alturas. Sin embargo en este texto mencionamos tres de ellos para su aplicación, que son suficientemente precisos: 1.- Este método es el menos laborioso, que permite hallar la presión natural usando la diferencia de densidad entre las dos columnas de aire Puesto que P = wL, y la Hn en Pulg. H2O. L  d  u  Hn  (5.13) 5.2 Donde: d = Densidad promedio del aire en la columna de entrada del pique. u = Densidad promedio del aire en la columna de salida del pique

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El valor de estas densidades debe ser obtenido promediando varias densidades que temperaturas. Con este fin las temperaturas y la presión barométrica deben ser medidas en varios puntos de cada columna. 2.- Este método también es menos laborioso y se determina la presión natural utilizando las temperaturas promedio absolutas de bulbo seco:  T  Td  Hn   u (5.14) L ; Pulg.H2O  5.2T  Donde: T = Promedio de temperatura absoluta = (Tu – Td)/2.  = Densidad del aire en la columna de entrada, lb/ft3. L = Altura del pique, ft 3.- Por este método el cálculo de la Pvn es más preciso pero es muy laborioso, porque en el análisis de la fórmula incluye los efectos de vapor de agua y ha sido desarrollado por Hinsley (1965). Como datos la ecuación requiere las temperaturas en las columnas de entrada y salida del aire, la presión y temperaturas en superficie. L L   R  t R  d  T3  tu  p1  T2    Hn     ; Pulg.H2O (5.15)  5.2  T1  T4     Donde: P1 = Presión absoluta en superficie en el lado de pozo de entrada, lb/ft2 T1 = Temperatura en superficie en la columna de pozo de entrada, °R T2 = Temperatura en el fondo del pozo de entrada, °R T3 = Temperatura en el fondo del pozo de salida, °R y T4 = Temperatura en la cumbre de la columna del pozo de salida, °R. L = Profundidad del pozo, se asume de igual altura, ft. R = Constante universal del gas para el aire; R = 53.35 ft-lb/lb masa = 287.045 J/Kg.K ∆td = Cambio de temperatura en pozo de entrada, °F ∆tu = Cambio de temperatura en pozo de salida, °F 1 lb masa = 0.4536 Kg Para que los cálculos tengan digno de confianza, el registro de temperaturas y presiones deben ser muy cuidadosos. La presión de ventilación natural (pvn) puede variar entre 100 a 700 Pa (10-70 mm H2O), y el caudal de aire entre 500 a 2,500 m3/min dependiendo de Rm. Para calcular la caída de presión de ventilación natural es necesario conocer el peso específico del aire en las columnas, las que producirán el flujo de aire. Para ello se emplea la siguiente fórmula simplificada, ya conocida: 1.327 B W 460  t W = Peso específico del aire ambiente, en lb/ft3 t = Temperatura promedio del aire ambiente, en °F. B = Presión barométrica del lugar, en Pulg Hg.

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También se puede determinar el peso específico del aire mediante la siguiente fórmula simplificada: p W  0.465 T W = Peso específico del aire, en Kg/m3. p = Presión, en mm. de Hg T = Temperatura absoluta del aire, en °K Esta fórmula no toma en cuenta la humedad del aire. El error en los cálculos, no sobrepasa de  1% entre los límites de 700 a 800 mm Hg y de 0°C a 30°C DETERMINACIÓN DE CAUDAD DE AIRE POR VENTILACIÓN NATURAL. En una mina, el flujo de caudal de aire generado por la presión de ventilación natural puede ser hallado matemática ó gráficamente. Desestimando la presión de velocidad, la ecuación de la presión estática mina o pérdidas de presión (Ver Ecuac.4.14) es igual a la presión de ventilación natural (Hs = Hn) donde Hn está expresado en pulg.H2O 5.2 H n A3 Qn  (5.16) KOL  Le  También el caudal natural de aire se puede determinar en función a las temperaturas, reemplazando el Hn de la ecuación (5.14):  T  Td   3 5.2 u L  A  5.2T    Qn  KOL  Le  Simplificando esta expresión, tenemos: LH A3 Tu  Td Qn  x (5.17) KOLC T Donde: L = LH = Altura del pique, ft (L +Le) = LC = Longitud total del recorrido de la corriente de aire. Ft T = Promedio de temperatura absoluta = (Tu – Td)/2.  = Densidad del aire en la columna de entrada, lb/ft3. Td = Promedio de temperaturas absolutas en pozo o columna de entrada: T  T2 Td  1 2 Tu = Promedio de temperaturas absolutas en pozo o columna de salida: T  T4 Tu  3 2 La fórmula 5.17 demuestra uno de los grandes e insalvables desventajas de la ventilación natural, que no se puede controlar la magnitud del flujo de aire, puesto que depende de las temperaturas exterior e interior de la mina que es difícil de controlar por las variaciones permanente de las condiciones naturales por más que permanezcan constantes el resto de los valores.

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También podemos deducir las siguientes conclusiones: 1) Cuando Tu > Td, la diferencia (Tu- Td) es positiva e indica que el flujo se dirige hacia adentro. Esta es la condición de la mayoría de las minas del país. 2) Cuando Tu < Td, dicha diferencia es negativa e indica que el flujo se dirige hacia fuera. 3) Cuando Tu = Td, el flujo se hace cero. De todo lo expresado se puede concluir que la cantidad de aire producida por ventilación natural, varía con las estaciones del año, y también con el día y la noche. EJEMPLOS DE APLICACIÓN: 1.- Se tiene una mina esquemática tal como se muestra en la figura y tiene los siguientes datos: Longitud de los piques (L) = 8000 ft K = 100 x 10-10 lb.min2/ft4 Peso específico aire () = 0.075 lb/ft3 Sección del conducto = 10’ x 20’ Las temperaturas de bulbo seco son como sigue: t1 = 25°F t2 = 55°F t3 = 110°F t4 = 90°F. Calcular la presión de ventilación natural. Solución:

2.- En el siguiente esquema de la mina, calcular la presión de ventilación natural. Solución:

3.- Calcular la caída de presión en 2 columnas de aire de 600 ft de altura, en un ligar cuya presión barométrica es 20 pulg de Hg y las temperaturas absolutas promedio son 530 °F y 520 °F. Solución:

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4.- Si la presión barométrica en el nivel de la salida más alto de la mina es 63.9 Kpa. ¿Calcular la presión de ventilación natural? Solución:

5.- Lla temperatura de una mina, en cualquier momento es 59°F; como máximo 50°F y como mínimo 32°F ¿Cuál es la variación del flujo de aire?. Solución:

6.- En un lugar, la presión barométrica es 20"Hg, la temperatura absoluta en superficie es 477°F y la del subsuelo es 530°F; la altura de la chimenea de ventilación es 500 ft, la sección de las labores es 8'x10', la superficie expuesta al paso del aire es 80,000 ft 2 y el coeficiente de fricción corregido por altura es 100 x 10-10. Calcular el flujo de aire entrante. Solución:

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5.7.2 VENTILACIÓN MECÁNICA. Es aquella que utiliza los ventiladores para inducir el flujo de aire en las labores mineras. Mediante este sistema se puede regular fácilmente y obtenerse la cantidad y calidad de aire deseada en cualquier punto de trabajo subterráneo. 5.7.2.1 CLASIFICACIÓN DE VENTILADORES MECÁNICOS. Los aparatos mecánicos que producen el flujo de aire, a través de diferentes conductos, son de 3 tipos: ventiladores, compresores e inyectores; siendo los ventiladores, los equipos más importantes que producen el flujo de aire. VENTILADOR. Es una máquina propulsora de aire que utiliza la energía mecánica de un impulsor giratorio para producir tanto el flujo de aire en forma continua como el aumento de su presión total. Tiene una relación de compresión [presión absoluta de descarga (Pd) / presión absoluta de isión ( Pa)] de ≤ 1.1. Cualquier otra máquina cuya Pd / Pa mayor que 1.1 se denomina soplador o compresor. Para relaciones de compresión del orden 1.1, la reducción de volumen que experimenta el aire es del orden de 7%; lo cual permite asumir que el volumen de descarga es igual al volumen de isión. La gran mayoría de los ventiladores usados en minería funcionan con motores eléctricos, aunque también pueden utilizar motores de combustión interna, sobre todo para ventiladores en superficie. La función primordial es crear una diferencia de presión entre la entrada del ventilador y la salida del mismo, y son ampliamente usados para ventilar las labores de la mina subterránea. Previamente es necesario definir algunos términos referidos a las presiones del ventilador, que con frecuencia causan confusión:  Presión total del ventilador (Pt). Es la diferencia algebraica que existe entre la presión total media a la salida del ventilador y la presión total media a la entrada del mismo. Pt = Pt2 - Pt1. Se mide con tubo de Pitot  Presión de velocidad del ventilador (Hv). Es la presión correspondiente a la velocidad promedio que existe sólo en la salida del ventilador. 2

 V  Hv      1098  HV = PV2 = Pt2 – PS2

 Presión estática del ventilador (PE). Es la diferencia entre la presión total del ventilador y la presión de velocidad del ventilador. PE = Pt – Hv. Es también la diferencia entre la presión estática en la salida del ventilador (PS2) y la presión total en la entrada del ventilador (Pt1): PE = Pt2 – Pt1 – (Pt2 – PS2) = PS2 – Pt1. Esta presión está definida en base a la ecuación de Bernoulli y se le denomina también presión útil del ventilador. No es la diferencia entre la presión estática a la salida y al ingreso del ventilador.

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De éstas tres presiones, Ht y PE son usados para la fabricación o selección de ventiladores. PE es empleado por costumbre cuando Hv es pequeña. Para ventiladores principales de la mina la PE es la que más se aproxima a la medida de presión mina. PARTES PRINCIPALES DE UN VENTILADOR. Un ventilador está constituido por 2 partes principales:  El rotor, y  El estator. El rotor: Es el equipo móvil compuesto de un árbol que esta acoplado al motor por un dispositivo rígido o por medio de una correa; también está compuesto de álabes que al rotar imparte movimiento al aire. El árbol se apoya sobre un estator de cojinetes que tienen la función de disminuir el rozamiento o las pérdidas mecánicas. El estator. Sirve para fijar el ventilador, soportar los cojinetes y la carcasa de protección del equipo móvil. La carcasa guía el aire hacia y desde el impulsor. Otras partes de un ventilador que también juega un papel importante en su rendimiento son los álabes de entrada, difusores o evasores. Los componentes básicos son:  Malla protectora de acero.  Evase o cono de succión para disminuir las pérdidas dinámicas  Motor eléctrico.  Impulsor de álabes de paso variable.  Rueda directriz para ayudar a transformar la velocidad del aire en presión.  Difusor.  Carcasa robusta. El difusor. Es un ducto cónico que se instala en la salida del ventilador y cuando este cono se instala en el lado de ingreso del ventilador se llama evase o evasor; estas instalaciones adicionales se realizan en todo ventilador, con la finalidad de contrarrestar las pérdidas de energía por cambio de velocidad y de sección que se produjera del ventilador a la labor subterránea. Los difusores se instalan porque no se construye una labor subterránea específica para instalar un ventilador cuyo diámetro sea igual al diámetro de la labor o al diámetro de las mangas de ventilación. Al comprarse el ventilador, siempre debe solicitar estas dos piezas. La pendiente del difusor entre la horizontal del diámetro del ventilador a la cumbre del difusor debe ser entre 6° a 25° y una longitud que varía de 2 a 4 veces el diámetro. Con la instalación adecuada de un difusor se pueden conseguir las siguientes ventajas: a) Minimizar la pérdidas de presión por choque debido al cambio de secciones, éste efecto es particularmente útil en ventiladores impelentes. b) Recuperar un cierto porcentaje de la presión de velocidad que en el caso de ventiladores extractores (aspirantes) es desechada en la atmósfera.

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5.7.2.2 TIPOS DE VENTILADORES Los ventiladores empleados en la industria minera, según su diseño mecánico referente a la dirección del flujo de aire que impulsa y desde el punto de vista de su construcción, pueden clasificarse en dos categorías: Ventiladores Centrífugos o radiales y Axiales.  VENTILADORES CENTRÍFUGOS. Es una turbo máquina de flujo radial en la que el aire ingresa a lo largo de su eje impulsor y es cogido por la rotación de una rueda con álabes para ser descargado radialmente a una carcasa a 90° de su dirección de entrada. Cuando el aire es itido por ambos extremos de la rueda, se llama ventilador de doble entrada. Los ventiladores centrífugos pueden ser de álabes radiales, álabes curvados hacia adelante o curvados hacia atrás con respecto a la dirección de la rotación. Cada uno de estos diseños produce una característica de desempeño distintiva. Los ventiladores centrífugos se usan generalmente en aplicaciones de procesos donde hay alta presión, temperaturas y elementos corrosivos; a menudo son usados en minas profundas con flujos de aire sucio, corrosivo o húmedo, donde la resistencia a la abrasión son de gran importancia. Los ventiladores centrífugos constan de las siguientes partes: a) Rotor con su eje. b) Álabes c) Caja. d) Difusor. e) Motor del ventilador. Las variables de diseño de los cuales dependen las características del ventilador son: 1. Curvatura de los álabes. 2. Número y forma de los álabes. 3. Profundidad radial de los álabes. 4. Longitud axial de los álabes. 5. isión (por uno o dos lados) 6. Diámetro del rotor. 7. Dimensiones del ventilador. 8. Forma de la caja y del difusor. 9. Paleta directriz. 10. Luz entre el rotor y la caja.

 VENTILADORES AXIALES. Tienen la forma de un tubo cilíndrico compacto con un eje en el centro, donde van montados los álabes. El aire ingresa a lo largo del eje del rotor accionado por el impulsor de álabes, luego es descargado en la misma dirección axial. Las características particulares de un ventilador axial dependen en gran medida del diseño aerodinámico, del número y ángulo de las cuchillas impulsoras que presentan a la corriente de aire; pueden revertir su dirección de rotación, pero con una reducción muy importante en su desempeño. Los impulsores del ventilador axial giran a una velocidad de punta de cuchilla más alta que la de un ventilador centrífugo de desempeño similar, por lo que tienden a ser más ruidosos. La energía rotacional impartida al aire por el impulsor, deberá ser convertida en energía axial y presión estática tan pronto como sea posible, ésta se logra generalmente mediante la inclusión de las aletas directrices, ya sea a la entrada o a la salida del ventilador axial.

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Existen dos tipos dentro de la familia de ventiladores axiales: tubos axiales y aspas axiales. Tubos axiales. Son menos eficientes y de baja presión, que se usan generalmente como ventiladores para edificios, aire acondicionado, etc. Aspas axiales ó axial aleta. Son los más usados en la minería. Generalmente el ángulo de la paleta es de inclinación ajustable para las condiciones de operación de la mina. También entre los ventiladores axiales se tiene ventiladores de simple etapa y de doble etapa De esta última se dispone cuando se quiere ganar presión manteniendo el mismo diámetro de la manga. Las altas resistencias y las altas presiones estáticas que se generan en la transmisión del aire por mangas de ventilación, se logran vencer con ventiladores en serie instalados cada cierta distancia, ó instalando ventiladores de doble etapa en un solo punto, así en túneles y galerías de 3 ó 4 Km. generalmente se usan ventiladores axiales de doble etapa. Los ventiladores axiales son los más empleados en las minas por su flexibilidad de manejo, livianos y ofrecen mayor flujo de aire. Así el ángulo de la paleta puede variarse manualmente cuando está detenido. Igualmente los ventiladores con aspas de grado de inclinación ajustable son de uso predominante en la industria minera Actualmente los ventiladores axiales son de alta eficiencia con diseño aerodinámico que le permite inyectar o extraer mayores cantidades de aire utilizando potencias menores. Están disponibles en diámetros de 18” (457.2 mm) a 84” (2135 mm) con caudales desde 1000 cfm (5 m3/s) a 300 000 cfm (142 m3/s) y con presiones estándar de 2” a 16” de columna de H2O para ventiladores de un solo impulsor. Cuando se trata de ventiladores de doble impulsor, los diámetros son de 18” a 84” con caudales desde 5 000 cfm a 300 000 cfm con motores desde 15 HP. Cabe mencionar que los ventiladores de transmisión directa de hasta 250 HP son los más comunes debido a su simplicidad, tamaño compacto, bajo costo y alta eficiencia. También se puede usar la transmisión directa en instalaciones verticales hasta en el rango de 250 a 800 HP (extractores) Los ventiladores axiales constan de las siguientes partes: a) Rotor. b) Alabes. c) Paletas directrices. d) Caja. e) Difusor. f) Motor. g) Carena. Las variables de diseño de los cuales dependen las características del ventilador son: De los álabes: a) Forma. b) Grado de inclinación. c) Grosor. d) Longitud. e) Número. 109


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Del rotor y caja: f) Número de etapas. g) Relación de diámetros carena impeler. h) Caja y difusor.

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Cuadro comparativo entre ventiladores centrífugos y axiales. Centrífugos Axiales  Ofrece la más alta presión  Presión estática media. estática, por lo que pueden  Ofrece mayor flujo de aire. desarrollar presiones entre 8 y 10  Puede invertir el sentido del flujo veces mayores que los axiales. con sólo cambiar el sentido de rotación  Ofrece un flujo mediano. del impulsor.  Pueden trabajar a altas  Eficiencia entre 70% y 85%. velocidades  Producen niveles de ruido más  Su eficiencia varía entre 60% altos. a 80%.  Son más versátiles.  Producen menos ruido.  Son más compactos y baratos.  Son ventiladores rígidos,  Consume más energía para el pesados y más voluminosos. mismo caudal y presión. Son más serviciales, pero  La instalación es más simple que costosos. los centrífugos.

5.7.2.3 CURVA CARACTERÍSTICA DE LOS VENTILADORES & CURVA CARACTERÍSTICA DE LA MINA. Un ventilador instalado en la mina está conectado a un sistema de resistencia dada de la mina; cuando se encuentra en funcionamiento desarrolla una presión que representa su capacidad de realizar trabajo útil. En este trabajo del ventilador, una parte de la energía impartida se convierte en velocidad (presión de velocidad) y el resto será la energía disponible para vencer la resistencia de la mina (presión estática o útil). La suma de estas dos presiones constituye la presión total del aire en el circuito. La curva característica (c.c) de un ventilador no tiene una ecuación determinada (como en el caso de resistencia de las labores); sin embargo, pueden ser representados o graficados en un sistema de coordenadas H-Q, mediante un conjunto de puntos proporcionados por los fabricantes, que se llama la "curva característica del ventilador"; se denomina " curva característica del ventilador" porque se refiere a una máquina determinada, con dimensiones geométricas y velocidades de rotación propias. La c.c. de un ventilador expresa la representación gráfica de la relación existente entre la presión (H) desarrollada por la máquina y el caudal (Q) de aire que fluye a través de la misma a una velocidad de rotación (RPM) constante. Convencionalmente la c.c. de los ventiladores están diseñadas para condiciones normalizadas de aire (0.075 lb/ft 3) y presiones totales. Cada ventilador tiene su propia curva que puede variar cuando cambian los siguientes factores: 1. Su velocidad de rotación. 2. Número y posición de los álabes. 3. Grado de inclinación de los álabes en ventiladores axiales. 4. Número de etapas. 5. Potencia del motor. 111


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Mientras la curva característica de la mina, es otra representación gráfica de su resistencia equivalente, que define el comportamiento del aire que fluye a través del circuito de la mina. Para la selección de un ventilador, estas dos curvas características (H & Q) se superpone y se determina un punto común a ambas, que se denomina "el punto de trabajo", que estará definido por una determinada caída de presión (H) y un flujo de aire (Q); el ventilador seleccionado es la de máxima eficiencia. La decisión final se tomará analizando además los costos operativos que muchas veces son más importantes que los costos de capital. a) Curva característica de un ventilador centrífugo. Por construcción el ventilador centrífugo tiene una relación matemática entre el caudal y la presión, que obedece a la fórmula: H = a-bxQ, que representa a una recta donde "a" es función de la velocidad tangencial, del peso específico del aire y de la fuerza de gravedad y "b" depende de la velocidad tangencial, velocidad radial, del diámetro, ancho, del ángulo de curvatura de los álabes, del peso específico del aire y de la fuerza de gravedad. Cualquier variación de estos parámetros, significa un cambio en la curva. Esta ecuación implica el hecho que el rotor debe tener un número infinito de álabes, lo cual no es posible conseguir; al tener un número finito de álabes se producen pérdidas por la formación de remolinos entre los álabes. También se producirán pérdidas por rozamiento del aire con la carcasa y el impulsor y pérdidas por choque; las pérdidas por rozamiento aumentan a medida que la velocidad del aire es mayor; las pérdidas por choque se hacen mayores en los dos extremos, con poco y mucho caudal. b) Curva característica de un ventilador axial. La característica principal de la curva de un ventilar axial es que existe una inclinación distinta donde disminuye su presión a medida que decrece su caudal. Esta característica se conoce como "atascamiento" y proviene del desprendimiento de corrientes de aire desde la superficie de las aspas; se produce una turbulencia y con ello se reduce la habilidad de la superficie de la sustentación para producir la presión. En algunos casos el efecto de atascamiento puede ser demasiado grave y el ventilador entra en "zafarrancho", vibra visiblemente y sus aspas pueden caer en lo que se llama fatiga, lo cual suele producir la violenta ruptura de ellas. En general, mientras mayor sea el ángulo de ataque del ventilador (el ángulo formado por la dirección del aire con la cuerda del aspa) más grave será el efecto de atascamiento. Para asegurar que el ventilador no entre en zafarrancho se debe considerar sólo una porción de su curva característica. En cualquier ventilador se puede variar su característica, al alterar su velocidad, de acuerdo a las leyes de ventiladores. La variación del servicio del ventilador, a velocidad constante, se puede lograr por otros medios.

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5.7.2.4 LEYES DE LOS VENTILADORES. Existen 3 leyes del rendimiento básico de cualquier ventilador, que relacionan en forma más adecuada, el volumen del flujo de aire (Q), a la presión estática (H) capaz de producir y a la energía absorbida por el ventilador o sea la potencia (Pm) y la eficiencia de cualquier ventilador y gobiernan su comportamiento cuando existen cambios: en la velocidad del ventilador (N) en RPM, en el peso específico del aire (  ) y en el tamaño del ventilador (diámetro D). Existen otras leyes pero son de poco uso en la industria minera. Variación de LEY 1 las Cambios de características velocidad, N (constantes D y  )

Caudal Q

LEY 2 Cambio de diámetro (D)* (constantes N y  )

LEY 3 Cambio de peso específico (  ) (constantes N, D, Q )

2

Q Q



2

1

N N

Q  D2    Q  D1 

2

Q Q

2

1

2

1

1

2

Presión Hs ó Ht

H H

 N2     N1   N2     N1  N

S2

H

S2

H H

 H S1

S1

3

Potencia, Pa ó Pm

P P

m1

Eficiencia***

N

2

m2

1

 D2    D1  N N m2



m1

2

1



S1

2

P P

  2 **

S2

P P

m1

N

2

m2

1

2





N

1

1

*La segunda ley con cambio de diámetro (D), es poco usado en las minas, pero sí en los talleres de construcción de ventiladores. **Esta igualdad es la más usada para convertir la estática de altura del ventilador a estática a nivel del mar o viceversa. ***Las eficiencias mecánicas son independientes de cambios de velocidad y tamaño de ventiladores y al cambio del peso específico del aire. REGLAS DE VENTILADORES. 1. La presión requerida es directamente proporcional a la longitud. 2. La presión es directamente proporcional al perímetro. 3. La potencia requerida es directamente proporcional al cubo de la velocidad o volumen. 4. La presión requerida es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad o volumen de aire. 5. Los caudales de aire (Q) son proporcionales a las velocidades (N).

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Ejemplo de aplicación (1): Se tiene un ventilador cuyas características pueden definirse por el siguiente conjunto de puntos a 1000 RPM y al nivel del mar: H: Pulg. H2O: Q: ft3/min : 50,000

4 0

3 25,000

2 35,000

1

0 45,000

y va trabajar en un lugar donde el peso específico del aire es 0.060 lb/ft3, a una velocidad de 1,100 RPM. Determinar las nuevas características del ventilador para la altura indicada. Solución.

5.7.2.5 POTENCIA DE VENTILACIÓN. Previamente se requiere precisar algunos conceptos relacionados a la potencia. FUERZA. La fuerza es igual al producto de la masa por la aceleración. NEWTON (N). Se define como la fuerza sin balancear que imparte a un 1 Kg. masa una aceleración de 1 m por s2. Así 1N = 1 Kg. m/s2. TRABAJO. El trabajo resulta cuando una fuerza actúa sobre una distancia. Un joule de trabajo, es la cantidad de trabajo realizado cuando la fuerza equivale a un newton-metro: 1J = 1N.m. El trabajo y la energía tienen las mismas unidades; por lo tanto, la energía almacenada se expresa en joule. La cantidad de trabajo realizado es independiente de la sección transversal a través del cual fluirá el aire POTENCIA DE VENTILACIÓN. Es la energía necesaria para transportar el caudal Q con velocidad V, venciendo la resistencia R ó superando las pérdidas de presión de un sistema; varía directamente con la presión H y el caudal Q. 5.2QH Pa = , en HP ó (5.19) 33,000 QH Pa = , en HP (5.20) 6346 H: Caída de presión en pulgadas de agua Q: Caudal de aire en CFM. Eff: Relación % entre la energía entregada al ventilador y la recibida del ventilador. Esta energía (HP) que se consume para la ventilación de la mina va limitar métodos y procedimientos de ventilación por lo económico que debe ser. Cuando la ecuación arriba señalada, está basada en la presión estática, entonces Pa se denomina potencia estática; si se basa en la presión total, el P a se denomina potencia total. Para la ventilación de la mina se utilizan máquinas eléctricas, entonces el P a se requiere de la potencia mecánica ó potencia al eje ó potencia al freno (Pm); la relación de estas 2 potencias se llama eficiencia de ventilación (Eff) y se expresa en porcentaje.

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Eff =

P P

a

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(5.21)

x100

m

Por consiguiente. HQ Pm = Pa  Eff 6346 Eff (5.22) También esta potencia se puede expresar en Kilowatt(KW), entonces la fórmula será: HQ Wa = (5.23) 1000 Donde: Wa = Fuerza aire, en Kw Q = Volumen de flujo (m3/s) H = Caída de presión, en pascal (Pa). Ejemplo 1. Elección del regulador versus ventilador. Datos: Labor 1: Q1 = 23.839.5 Labor 2: Q2 = 21,672.2 Labor3: Q2 = 26,488.3

R1 = 100 x 10-10 R2 = 121 x 10-10 R3 = 81 x 10-10

100 trabajadores 120 trabajadores. 120 trabajadores.

a) ¿Qué podría hacerse para que cada trabajador reciba 200 cfm / trabajador? b) Justificar económicamente si Eff. = 0.85. Solución.

Ejemplo 2. Si 60 m3/s de aire es movido a través del túnel de cualquier tamaño sobre cualquier distancia y la caída de presión es 1N/m2 (1Pa); ¿Cuánto es la cantidad de trabajo realizado la potencia correspondiente? Solución.

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5.7.3 VENTILACIÓN AUXILIAR. Es un procedimiento para ventilar con aire fresco los ambientes de trabajo de aquellas labores subterráneas en construcción (frentes ciegos), que mantienen una sola comunicación con el circuito principal o una sola conexión a superficie como en el caso de túneles. En esas labores, los diferentes trabajos mineros de perforación, voladura, la limpieza de mineral con equipos diesel, etc generan agentes contaminantes como polvo y gases que contaminan el aire en el frente de trabajo llegando a concentraciones peligrosas y la falta de visibilidad para el personal. Por lo que, con la ventilación auxiliar se tiene que lograr una adecuada dilución de los gases tóxicos e inflamables y un nivel aceptable de las condiciones termo-ambientales del frente de trabajo. Los ventiladores auxiliares son normalmente de 5000 a 35000 cfm que producen presiones de 2 a 15 pulg.H2O y utilizan motores de 7.5 a 25 HP. 5.7.3.1 ELECCIÓN DE TIPO DE VENTILACIÓN PARA FRENTES “CIEGOS” En la práctica minera para la ventilación de frentes ciegos se utiliza los siguientes métodos: 1. Por difusión, es una ventilación lenta y poco seguro influenciado por inducción de la corriente de aire, por es los factores que influyen directamente son: el área de la labor, la orientación del flujo, el caudal de aire, etc. 2. Por uso de aire comprimido. En la minería subterránea, para ventilar los “frentes ciegos” es frecuente el uso de aire comprimido con instalación independiente, como sopladores y tubos ventury con uso de aire comprimido, etc. Por su alto costo de generación de aire comprimido en la mina, el uso de esta energía para ventilación debe limitarse solamente a aquellas aplicaciones donde no es posible utilizar los ventiladores eléctricos, como ocurren en la construcción manual de chimeneas, piques, etc. 3. Por ventiladores auxiliares. Debido a factores técnico-económicos es preferible el empleo de ventiladores auxiliares, porque su costo es de 20 a 40 veces menos que el costo de aire comprimido. Esta elección debe preceder a la selección del ducto, porque del sistema elegido dependerán las características de la conducción.

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5.7.3.2 TIPOS DE SISTEMAS DE VENTILACIÓN AUXILIAR. En toda excavación de una sola vía de que tengan más de 60 m de avance, es obligatorio el empleo de ventiladores auxiliares. Se prohíbe el empleo de sopladores para este objeto, de acuerdo al Art. 204(j) del Reglamento de Seguridad Minera. Entre los sistemas de ventilación auxiliar tenemos: 1. Ventilación aspirante: es cuando el aire viciado es aspirado en el frente de trabajo y conducido a través del ducto (manga de ventilación) y el aire fresco ingresa a través de toda la labor. Por este sistema el ventilador se ubica en el lado de la corriente de retorno a una distancia mínima de 10 m de la boca de la labor y la manga de ventilación deberá ser necesariamente rígida. La presión estática es negativa, porque genera una depresión en el lugar o sea es menor que la presión atmosférica. Negativa

Una de las desventajas de este sistema es que el polvo de la mina que es muy abrasivo, gastará rápidamente las paletas de los ventiladores, influyendo en la reducción de la vida útil del equipo. La otra desventaja es, que a pesar de que la idea de aspirar los gases tóxicos en su lugar de origen es correcta, el efecto de aspiración alcanza solamente a un diámetro de distancia de la boca de la manga de ventilación, o sea L 1 = 1D (D = Diámetro manga), aún cuando este sistema funcione de manera continua, y la velocidad se reduce al 10% de la velocidad del aire en la manga. Sin embargo, por seguridad la punta de la manga debe ubicarse a una distancia mínima, de acuerdo a la siguiente relación: L1 ≤ 3 S (5.24) L1 = Distancia de acción de chorro libre, en m S = Sección de la labor, en m2. 2. Ventilación Impelente o por compresión: se insufla el aire fresco hacia el frente de trabajo a través de la manga y el aire viciado es expulsado afuera a través de la labor. Por este sistema el ducto de ventilación podrá ser flexible, y la presión estática es positiva, porque genera una sobre presión en el lugar. Positiva

El frente de trabajo se ventila eficazmente y de prisa porque el aire fresco es descargado directamente en el frente, y el alcance máximo del flujo que sale de la manga de ventilación es 30 veces el diámetro de la manga, o sea L 2 = 30 D y la velocidad se reduce al 10% de la velocidad en la manga. Igualmente por seguridad, por este sistema, la distancia adecuada del frente de trabajo al extremo del ducto, se calcula con la siguiente relación: L2 = 6 S (5.25) L2 = Distancia de acción de chorro libre, en m. S = Sección de la labor, en m2.

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La gran desventaja es que el aire viciado es empujado lentamente a lo largo de la labor en construcción, aumentando el tiempo de ventilación sobre todo cuando las labores tienen una longitud considerable; por otro lado causa molestias a todos quienes transitan por esa ella. Uno o el otro sistema de ventilación se elige, teniendo en cuenta las condiciones reales de cada trabajo minero. Así, durante la profundización de los piques el método impelente es el más difundido; mientras en chimeneas el sistema combinado es el más conveniente; cuando estas labores se construyen manualmente y en longitudes cortas, normalmente se usa el aire comprimido, con las consecuencias indicadas anteriormente. En la construcción de labores horizontales de poca longitud y sección (< 400 m y de 3 m x 4 m) es recomendable usar el sistema impelente; mientras para labores de mayor sección y sobre 400 m de longitud será recomendable el sistema aspirante o combinado para mantener limpia y con buena visibilidad la labor. 5.7.3.3 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN AUXILIAR. El diseño de ventilación auxiliar es necesario sistematizar a fin de optimizar el uso de ductos de ventilación y los ventiladores auxiliares, y comprende una serie de etapas que pueden resumirse en los siguientes: 1. Información preliminar de las condiciones de trabajo (Nivel, labor, longitud, sección, tipo de explosivos, factor de potencia, performance de avances, naturaleza del terreno, equipos, personal por guardia, número de guardias, etc.). 2. Cálculo de caudal de aire necesario en el frente. Para este cálculo es necesario considerar el % de fugas, que en ductos flexibles ascienden 30% a 40%; mientras para ductos metálicos de 20% a 30%, pudiendo disminuir hasta 10% cuando estos ductos utilizan empaques correspondientes de jebe en todos los empalmes. Los porcentaje reales de fuga se determina realizando mediciones en los sistema de ventilación en operación. QVentilador = Qrequerido frente + Qfugas estimadas 3. Elección del tipo de ventilación: aspirante, impelente o combinado. 4. Selección del ducto de ventilación. 5. Selección del equipo de ventilación. 5.7.3.4 DUCTOS DE VENTILACIÓN. En el mercado existen una variedad de ductos que pueden ser usados en ventilación subterránea, y son los siguientes: a) Ductos metálicos. Son fabricados de planchas de hierro de 1 a 4 mm de espesor con longitudes de 3 a 10 m. Estos ductos presentan bajo costo de mantenimiento, baja resistencia y excelente hermetismo por usar empaques de jebe en las uniones; su gran desventaja se deriva por su alto costo, peso y rigidez que encarece su instalación. b) Ductos plásticos flexibles. Son confeccionados con material de lona, PVC con tejidos sintéticos de alta resistencia, llevan en ambos extremos anillos de acero recubierto que le permite unirlos entre sí. Los rangos comunes de diámetros varían desde 8” a 118” (200 a 3000 mm) con longitudes de 5 m a 500 m según el requerimiento de los clientes. Tiene un costo sustancialmente menor que el ducto metálico y son muy fáciles de instalar. c) Ductos plásticos reforzados. Son fabricados del mismo material de PVC de alta resistencia con refuerzos de anillo de acero (Helix-cable de acero) en resorte y flexible, recubierto con lona y sellado alrededor. Puede ser replegado a 1/7 de su longitud extendida, que le permite una facilidad para el transporte, manipuleo y almacenamiento. De este mismo material fabrican también mangas de forma elíptica para ser empleado en 118


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labores que tienen la parte superior limitada. Su aplicación principal es para la extracción del aire y para instalar como codos en distintas curvaturas de labores subterráneas. 5.7.3.5 CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN EL DUCTO. En toda ventilación auxiliar, el aire fluye a través de la manga por efecto de la presión ejercida por el ventilador; y en su recorrido debe vencer las resistencias que ofrecen las irregularidades de la superficie interna y los obstáculos y fugas de aire generados en las uniones de los empalmes entre las mangas. El control de estos dos factores es de suma importancia porque afectan a la presión y caudal de aire, que son parámetros que caracterizan a los ventiladores, y cuyos costos de operación y el consumo de energía depende de esos factores. Para el caso de ventilación impelente, en el avance de un frente, la caída de presión debe ser calculada tanto para la conducción del aire por la manga así como para su retorno a través de la labor 5.7.3.6 SELECCIÓN DEL DUCTO DE VENTILACIÓN Una vez conocido el caudal de aire en el frente, será necesario escoger el ducto de ventilación para conducir el aire. La selección del diámetro óptimo de un ducto tiene una gran importancia en el diseño, por su gran influencia en los costos de energía necesaria y de los ventiladores. Así, la caída de presión del sistema de ventilación auxiliar es mucho menor cuando aumentamos el diámetro del ducto, cuya demostración es el siguiente: H = RQ2. Donde: KOL R= . 5.2 A 3 En caso de ducto circular es: Perímetro O =  x D Área A =



D2

4 Reemplazando: R=

KDL



KDL



KL



64 KL KL  1.247 5 . 2 5 5.2 D D

    5.2 D 6 5.2 D5 5.2 D 2  64 64 4  Luego: KL H  1.247 5 Q 2 (5.26) D Para la selección del diámetro (Φ) del ducto pueden seguirse los siguientes criterios: 1. Los Φs del ducto varían de 8” a 118”; sin embargo es preferible que sean superiores a 12”. 2. La relación de la sección de la labor a sección del ducto varía entre 40:1 a 100:1, o sea debe estar entre: 3

3

2

119


40 

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Sección .galería  100 Sección .ducto

3. La velocidad del aire en el ducto varía entre 2500 ft/min a 6000 ft/min Para ventiladores impelentes varía de 2000 ft/min a 2800 ft/min, siendo la velocidad económica de 2600 ft/min y la velocidad del aire viciado de retorno en la labor debe ser ≥ 180 ft/min que permitirá evacuar rápidamente el aire viciado. Para ventiladores aspirantes la velocidad óptima es 3500 ft/min. 4. El diámetro del ducto se puede calcular por la siguiente expresión:

D  24

Q

f

(5.27)

V

Donde: D = Φ del ducto, en pulg. V = Velocidad del flujo en el punto de captación del ventilador, en ft/min Qf = Caudal de aire absorbido por el ventilador, en cfm. 

L

f  100  (5.28) Q f  Q r 1    100  Donde: Qr = Caudal de aire real en el frente de la labor, cfm f = Estimado de fugas en % por 100 ft de ducto (En caso de túneles f = 2% por 100ft) L = Longitud total del ducto, en ft. La variable f se puede estimar mediante la siguiente relación: Qf





 3.3KDn R  1

2

(5.29) Qr Qf/Qr = Proporción entre el caudal que entra en la instalación y el que sale de la misma pero al final de la manga. K = Coeficiente de permeabilidad de las juntas, que es igual a 1.60 x 10-3 para ductos flexibles de uniones estándar D = Φ del ducto asumido para V, en pulg n = Número de tramos independientes que comprende la línea.  KOL  R = Resistencia total de la línea  3  , en lb/ft2  A  Además de estas fórmulas, muchas veces los mismos fabricantes nos proporcionan tablas adecuadas para una buena elección del diámetro de una manga de ventilación. Saber determinar qué tamaño del ducto es el más adecuado para un volumen de aire requerido en un frente de trabajo, nos reducirá el consumo de energía y por consiguiente el costo de ventilación auxiliar. Así contamos con las siguientes tablas:

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ELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE MANGA DE VENTILACIÓN K= 20 lb-min²/ft^4 L= 100 Ft MANGA DE 12"Φ Φ manga Φ Perímetro Area Velocidad (pulg.) (ft) (ft) (ft²) ft/min 12 1.00 3.1416 0.7854 2400 12 1.00 3.1416 0.7854 2600 12 1.00 3.1416 0.7854 2800 12 1.00 3.1416 0.7854 3000 12 1.00 3.1416 0.7854 3200 12 1.00 3.1416 0.7854 3400 12 1.00 3.1416 0.7854 3439 12 1.00 3.1416 0.7854 3600 12 1.00 3.1416 0.7854 6399

Caudal CFM 1885 2042 2199 2356 2513 2670 2701 2827 5026

H"H2O C/100ń.m. 0.89 1.04 1.21 1.38 1.58 1.78 1.82 1.99 6.30

MANGA DE 14"Φ Φ manga Φ (pulg.) (ft) 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167 14 1.167

Perímetro (ft) 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652 3.6652

Area (ft²) 1.069 1.069 1.069 1.069 1.069 1.069 1.069 1.069 1.069

Velocidad ft/min 1400 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 1497 1924 2566 2779 2993 3207 3421 3635 3848

H"H2O C/100ń.m. 0.26 0.43 0.76 0.89 1.03 1.19 1.35 1.52 1.71


Perímetro (ft) 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124 4.7124

Area (ft²) 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671 1.7671

Velocidad ft/min 1400 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 2474 3181 4241 4595 4948 5301 5655 6008 6362

H"H2O C/100ń.m. 0.20 0.33 0.59 0.69 0.80 0.92 1.05 1.19 1.33

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Perímetro (ft) 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360 5.2360

Area (ft²) 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817 2.1817

Velocidad ft/min 1400 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 3054 3927 5236 5672 6109 6545 6981 7418 7854

H"H2O C/100ń.m. 0.18 0.30 0.53 0.62 0.72 0.83 0.95 1.07 1.20

MANGA DE 24"Φ Φ manga Φ Perimetro (pulg.) (ft) (ft) 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832 24 2.00 6.2832

Area (ft²) 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416

Velocidad ft/min 1400 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 4398 5655 7540 8168 8796 9425 10053 10681 11310

H"H2O C/100ń.m. 0.15 0.25 0.44 0.52 0.60 0.69 0.79 0.89 1.00


Area (ft²) 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761 4.2761

Velocidad ft/min 1400 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 5986 7697 10263 11118 11973 12828 13683 14539 15394

H"H2O C/100ń.m. 0.13 0.21 0.38 0.45 0.52 0.59 0.68 0.76 0.85

Perimetro (ft) 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304 7.3304

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Perimetro (ft) 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540 7.8540

Area (ft²) 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087 4.9087

Velocidad ft/min 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800

Caudal CFM 8836 11781 12763 13744 14726 15708 16690 17671 18653

H"H2O C/100ń.m. 0.20 0.35 0.42 0.48 0.55 0.63 0.71 0.80 0.89

MANGA DE 36"Φ Φ manga Φ (pulg.) (ft) 36 3.00 36 3.00 36 3.00 36 3.00 36 3.00 36 3.00 36 3.00 36 3.00

Perimetro (ft) 9.4248 9.4248 9.4248 9.4248 9.4248 9.4248 9.4248 9.4248

Area (ft²) 7.0686 7.0686 7.0686 7.0686 7.0686 7.0686 7.0686 7.0686

Velocidad ft/min 1800 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Caudal CFM 12723 16965 18378 19792 21206 22619 24033 25447

H"H2O C/100ń.m. 0.17 0.30 0.35 0.40 0.46 0.53 0.59 0.66

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Ejemplos de aplicación: 1.- Determinar el diámetro del ducto y el caudal de isión para el desarrollo de Xc 9840W, con los siguientes datos: Qr =10 928.60 cfm L = 1132 ft, longitud del ducto K = 25 x 10-10, coeficiente de fricción para la manga de polietileno de condición promedio.  = 0.04725 lb/ft3 peso especifico del aire, para el nivel 105. Solución:

2.- Calcular la caída de presión en el ducto para la ventilación del crucero Xc 9840 W, con las siguientes características. - Manga de polietileno de condición promedio con K = 25 x 10 -10. - L = 1132 ft, longitud del ducto -  = 0.04725 lb/ft3 peso especifico del aire, para el nivel 105. - Diámetro manga Φ = 24” - Caudal de aire Qf = 11255.5 cfm Solución:

3.- Se desea ventilar un crucero que va tener 610 m de longitud con una sección de 10`x 12`situado a 3300 m.s.n.m.. El ambiente de trabajo tiene una temperatura de 80.5 °F y una humedad relativa de 75% y el P.e. del aire 0.051 lb/ft 3. A lo largo de esta labor trabajarán un total de 40 personas y circularán 2 locomotoras disel de 15HP y de 26HP. Se desea calcular el diámetro del ducto necesario y el ventilador correspondiente para: - Proporcionar 200 ft3/min de aire a cada persona. - Remover polvos. - Permitir el funcionamiento de las locomotoras y - Lograr una temperatura efectiva confortable. Solución:

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4.- Cálculo de ventilación auxiliar para una chimenea y un frente en construcción, con los siguientes datos: - Hay 2 hombres en la chimenea. - Hay 6 personas en el frontón. - Sección chimenea 5`x 5`. - Sección galería y el frontón 3 m x 3 m - Altitud = 4400 m.s.n.m. - Largo de la chimenea 150 m Solución:

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