Control de polvo en los caminos de acarreo en minas de superficie

Ing. Tulio Antezano

AGENDA

I. Objetivos de los proyectos de investigación de pre-grado en UTEC

II. Proyecto de control de polvo en minas de superficie

a) Introducción

b) Importancia del control del polvo

c) Esquema de desarrollo del proyecto

d) Solución conceptual

e) Fases del proyecto

f) Trabajo de campo

g) Donde estamos y próximos pasos

• Aprendizaje Activo. • Proyectos de pregrado.

ESTRUCTURA DE LAS CARRERAS

Ciencias y matemática: 25%

Ingeniería: 50%*

Gestión, humanidades, arte e idiomas: 25%

5 años/ 10 semestres/ 213 Cr

Ho

lístico

*Menciones

Mining operations

Automation

Environment

Mining equipment

Information systems

Mechatronics

Nanotechnology

Minerallurgy

Maintenance management

Manufacturing

DINÁMICA DE UNA CLASE TIPO

Métodos inductivos de aprendizaje:

• Discovery Learning

• Inquiry-Based Learning

• Problem-Based Learning

• Project-Based Learning

• Case-Based Teaching

• Just-In-Time Teaching

Motivación de la clase

“WOW”

Comprensión del

contenido

Sistematización del

contenido

Evaluación,

actividades post,

reflexión

30 minutos 10 minutos 10 minutos

70 minutos 15 minutos 15 minutos

GENERACIÓN DE IDEAS DE

PROYECTOS

46%

23%

11%

5%

4%

4%

3%

2%

2%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Internaly generated

Customer

Competitive product

Sales force

University

Independent …

Distribution partner

Other partner …

Supplier

Source: Terviesch and Ulrich (2009)

Año Proyectos Estudiantes Profesores

2013-II 42 239/366=65% 14 2014-I 58 326/551=59% 25 2014-II 69 352/504=69.8% 26

Control de polvo en los caminos de acarreo en minas de superficie

Ing. Tulio Antezano

IIMP – 14/05/2015

OBJETIVO

Mejorar el factor de utilización del agua en el

regado de los caminos de acarreo por la

implementación de un sistema de monitoreo de

emisión de polvo

BENEFICIOS E IMPORTANCIA

El control del polvo es un problema a nivel mundial en

minas y canteras

El agua y la energía son claves para el desarrollo

futuro

La escasez de ambos recursos incrementa el costo

operacional y determina la capacidad de:

Cumplir con los requerimientos y objetivos de

producción

Obtener y mantener las licencias para operar

Explorar y explotar nuevos depósitos

HIPÓTESIS PLANTEADAS COMO RETOS

1. La emisión de polvo es producto de:

o El nivel de sequedad de la superficie de rodado de la vía de acarreo

o Sus variadas características geológicas y

o La degradación progresiva de su composición granulometría por el

tránsito continuo de los grandes camiones pesados de transporte

2. La medición de la emisividad de polvo:

o Puede ser el mejor KPI para establecer un punto de referencia para

identificar los segmentos de vía que necesitan riego

o También la señal para movilizar la flota de camiones de riego

(Cisternas)

3. Esta misma metodología puede:

o Ser utilizada para medir el período de eficacia de los aditivos

supresores de polvo y repetir el tratamiento cuando sea necesario

o Racionalizar el uso del recurso agua y de la flota de regado

mediante un monitoreo programado , complementado con el uso de

aditivos y un regado eficiente

PLAN DE DESARROLLO

Fase #1

Definición del problema

Fase #2

Solución conceptual

Fase #3

Pruebas en campo,

validación y conclusiones

FASE 1 - DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Estado del arte

• Sistemas de control de polvo con regado de agua en base a

supervisión visual

• Alto consumo de agua

• Sistema de regado ineficientes

• Accidentes e incidentes por presencia de polvo

• Ciclos de transporte mas extensos por mala condición de

caminos y presencia de polvo

• No existe monitoreo de condición de caminos

Fase #1

Definición del problema

Fase #2

Solución conceptual

Fase #3

Pruebas en campo,

validación y conclusiones

FASE 1 - DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Polvo fugitivo en caminos

de acarreo

Propiedades de los suelos (Humedad)

Transporte

Remediación usual

Clima

CRITERIOS DE ÉXITO

Mínima emisión de polvo

Mejor condición de caminos

Mayor rendimiento de camiones OHT

Tons/hora

Menos accidentes

Costo/Hora

+ Productividad

- Operación &

- Mantenimiento

+ Seguridad &

Ambiente

Mínimo consumo de agua

INDUCCIÓN A ESTUDIANTES

Curso corto: Introducción a la minería

Estado del arte

Revisión de bibliografía y papers sobre el tema

Toma de contacto con la realidad; visita a cantera y a

mina de cobre

Entrevistas con personal de operaciones, seguridad y

control ambiental

Revisión de legislación sobre control de polvo en

minas

FASE 1 - DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Mina de Cobre

Cantera

UTEC – PROYECTO DE SOLUCIÓN

• Revisar toda la bibliografía posible referida a monitoreo de polvo

• Establecer un plan de desarrollo para el monitoreo

• Definir validación de solución conceptual. – Requerimientos del

monitoreo de polvo • Basada en data medida

• Instalado en un vehículo (plataforma móvil)

• Monitoreo de polvo basado en emisividad – Colector de polvo

(gravimétrico)

– Medidor de concentración de polvo

• Pruebas de campo – Cantera de cemento

– Mina de Cobre, tajo abierto

• Resultados – Requerimientos de monitoreo

actualizado

– Selección del mejor sistema

FASE 2 – SOLUCIÓN CONCEPTUAL

Fase #1

Definición del problema

Fase #2

Solución conceptual

Fase #3

Pruebas en campo, validación y

conclusiones

De • Un enfoque reactivo poco

sistemático

A • Una practica sistemática y

preventiva

FASE 2 – SOLUCIÓN CONCEPTUAL

Fase #1

Definición del problema

Fase #2

Solución conceptual

Fase #3

Pruebas en campo, validación y

conclusiones

Mantener buena condición de camino con mínimo consumo de agua

Monitoreo de emisión de polvo para identificar segmentos que

requieren regado. Se elaborara un mapa interactivo de ubicación de

estas zonas. El índice de emisividad será el indicador para el manejo

optimo de la flota de regado

El proyecto contempla el uso de aditivos supresores de polvo con el

objetivo de extender los periodos de regado. El periodo de efectividad

del aditivo supresor será monitoreado en base a la capacidad de

emisión de polvo de una vía tratada con este aditivo

FASE 2 – SOLUCIÓN CONCEPTUAL

Menor consumo de agua

Monitoreo

Aditivos Eficiente regado

Reduce la frecuencia de

regado, en consecuencia el

consumo de agua

Reduce el

consumo de agua

por mayor

eficiencia

Registrar la emisión del polvo en diferentes condiciones de sequedad o humedad de la superficie de rodado de las vías

Se riega

cuando es

necesario

EXPLORANDO MÉTODOS DE MONITOREO

Monitor móvil con sensores para medir concentración de polvo Método

gravimétrico

con colector

de polvo

Sistema de monitoreo remoto de polvo

Posibilidades para integrar sistema

de monitoreo a sala de control

integrado de mina

SISTEMAS DE MONITOREO CONSIDERADOS

Sistema de monitoreo

Sensores de polvo fugitivo

Difracción por Laser

Colector de polvo

Sensor de ultrasonido

Scanner de área

Mapeo satelital

PROCESO DE PROTOTIPEO DEL COLECTOR DE POLVO

METODOLOGÍA DE MONITOREO

Toma de muestras

• Dispositivo de monitoreo en vehículo (Plataforma móvil)

• Medidor de concentración de polvo a bordo

Registro y

Análisis

• Registro de data de muestras tomadas en intervalos de tiempo

• Registro incluye la locación de los segmentos de vía medidos

Bench mark

• Se establece criterio para fijar el máximo nivel permisible de concentración de polvo

• En base a lo anterior se determina el benchmark para cada mina

Plan de acción

• Se recomienda un programa de trabajo diario/mensual/anual para el vehículo de monitoreo

• Se implementa sistema de reporte de emisividad de polvo (Mapeo) para identificar segmentos que requieren regado

PRUEBAS DE COLECTOR DE POLVO

Colector de polvo Colecta muestras de polvo para

determinado segmento de vía.

Procesamiento de muestras en

laboratorio es requerido

Monitor de concentración de polvo

Instrumento para medición en tiempo real

DusMate (Instrumento comercial)

Dispositivo no ha sido aun probado para

medir emisividad desde una plataforma

móvil y menos para aplicaciones en

caminos de acarreo.

MONITOREO DE POLVO CON INSTRUMENTOS

Dado que no hay un patrón o estándar para la medición de la emisividad de

polvo, vimos la oportunidad de introducir el concepto de emisividad basado en

la concentración de polvo medido por una herramienta de monitoreo que da

lecturas en mg / m3 de polvo en suspensión generado por un neumático de

cualquier vehículo que transita en caminos de acarreo

Definición de índice de

emisividad de polvo

Longitud de vía

Emissivity level

Bench Mark

ESPECIFICACIONES DE LOS MONITORES

Compact Optical Dust Sensor

sensitivity 0.1mg/m3.

Dimension (46 × 30 × 17.6mm)

Voltage operation 5-7V

Dust Collector

Measurement Grams

Dimension (40 x 60 x 80cm)

Voltage operation 12 V

MONITOREO CON EL COLECTOR

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 50 100 150

Time (seconds)

Dust Density (mg/m3)

MONITOREO CON EL SENSOR ÓPTICO

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 50 100 150 200

Time (seconds)

Dust Density (mg/m3)

FASE 3 – PRUEBAS DE CAMPO Y VALIDACIÓN

Fase #1

Definición del problema

Fase #2

Solución conceptual

Fase #3

Pruebas en campo, validación y

conclusiones

Consolidar pruebas iniciales con un mayor numero de muestras

Validar concepto con diferentes grados de humedad del suelo

Establecer benchmark de emisividad para un determinado terreno

Establecer efectividad del aditivo supresor en el tiempo

Determinar la metodología de monitoreo para aplicar a cualquier

condición operacional.

Seleccionar el dispositivo o equipo de regado mas eficiente

Mayor velocidad de regado

Mayor área regada por litro de agua gastada

Elaborar mapa de emisividad de polvo en base a monitoreo

programado

DISPOSITIVOS DE MONITOREO A BORDO DEL VEHÍCULO

CAMIONES DE REGADO DE ALTA EFICIENCIA

CAT Water Delivery & Control

Systems use 85% less water/km

and cover six times the distance of

conventional trucks

Courtesy of CAT Inc.

CAMIONES DE REGADO DE ALTA EFICIENCIA

Incremento de la eficiencia por nuevo sistema de control de aspersión y

sincronización con velocidad del vehículo

Sistema convencional CAT WDS

• No controla flujo de agua

• Flujo no depende de la

velocidad del vehículo

Flujo controlable

Flujo depende de

velocidad de vehículo

• No hay control sobre los

aspersores Aspersores con control

• Fugas de agua No hay fugas de agua

Bondades adicionales del

sistema CAT WDS

• Patrón de rociado

• Interface de usuario

• Control automático de

agua en base a: ancho de vía vs. cantidad de

agua

EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS DE CAMPO

Condiciones de las pruebas en campo

o Variabilidad del clima incluso en un solo día (Por viento)

o Rampas y curvas de las vías no permiten mantener una

velocidad constante del vehículo de monitoreo

o Lecturas de medición alteradas por alta vibración del vehículo

debido a la rugosidad de la superficie de la vía en algunos

segmentos afecto al colector significativamente

Recomendaciones

o Rangos de lectura de medidores de concentración de polvo

deben alcanzar los 20 mg/m3

RESULTADOS CON EL COLECTOR

Principales observaciones

o Alta variabilidad de lecturas de muestras

o Las condiciones del terreno y la instalación del colector a

bordo y el suministro inestable de energía no permitieron

obtener lecturas confiables

o La alta vibración del vehículo de monitoreo afecta el ensamble

del colector a bordo.

Lecciones aprendidas

o Se descarto el colector para continuar con el proyecto. Sirvió

para confirmar que es posible medir la emisividad de polvo.

RESULTADOS CON EL SENSOR ÓPTICO

Principales observaciones

o Gran variabilidad de la lecturas

o Limitaciones del sensor para obtener el rango de lectura de

concentración de polvo

Lecciones aprendidas

o Se confirmo la validez del concepto de emisividad en diferente

calidad de suelo de las vías.

o Se descarto el sensor óptico y se requiere continuar con un

monitor de concentración de polvo de mayor rango de lectura

(10 -30 mg/m3)

o Se requiere autonomía en suministro de energía al monitor.

Una batería ion-litio recargable con capacidad para un periodo

de 4 horas es suficientE

MONITOR DE CONCENTRACIÓN DE POLVO

0.1 mg/m3

20 mg/m3

MONITOR DE CONCENTRACIÓN DE POLVO

COSTO DE REGADO CON AGUA MINA A TAJO ABIERTO

DATOS DE OPERACIÓN DE OPERACIÓN CON MONITOREO Y

ADITIVOS

Longitud total de vias regadas 17,000 mts

Ancho de via 30 mts

Area total regada 510,000 m2

Consumo actual agua 239 m3/día

Horas promedio operacion cisternas 120 hrs/mes

COSTO DE REGADO CON MONITOREO Y ADITIVOS

Costo agua de riego 0.13 US$/m3

Costo agua de riego/día total 31.00 US$/día

Costo de operación de cisternas (US$

71.0/hr) 254 US$/día

Costo mantenimiento cisternas (US$

30.3/hr) 108 US$/día

Costo aplicación aditivo y monitoreo 3,123 US$/día

COSTO TOTAL REGADO MINA 3,516 US$/día

COSTO ANUAL 1'054,894 US$/año

DATOS DE OPERACIÓN CON RIEGO CONVENCIONAL

Longitud total de vias regadas 17,000 mts

Ancho de via 30 mts

Area total regada 510,000 m2

Consumo actual agua 3,413 m3/día

Horas promedio operacion cisternas 1,531 hrs/mes

COSTO DE REGADO CONVENCIONAL

Costo agua de riego 0.13 US$/m3

Costo agua de riego/día total 437 US$/día

Costo de operación de cisternas (US$

71.0/hr) 3,624 US$/día

Costo mantenimiento cisternas (US$

30.3/hr) 1.547 US$/día

COSTO TOTAL REGADO MINA 5,608 US$/día

COSTO ANUAL 1'682,409 US$/año

Ahorro anual estimado

US$ 627,515

Reducción de costos

estimados Costo Mensual de agua 60%

Costo de operación cisterna 75%

Costo mantenimiento cisternas 75%

Horas de operación

promedio 75%

Ahorros adicionales en

mantenimiento de camiones

fuera de carretera

LECCIONES APRENDIDAS

A lo largo de este proyecto , el grupo de estudiantes logra:

o Desarrollar habilidades de investigación y de trabajo en equipo

para resolver problemas reales.

o Promover una interacción con profesores de UTEC, empresas

proveedoras locales y extranjeras.

o Mejora en la comunicación oral y escrita en idioma Inglés.

Este tipo de proyectos son importantes en educación de la

ingeniería.

CONCLUSIONES

La emisión de polvo se incrementa por la sequedad del suelo de

los caminos de acarreo y por el transito continuo de los camiones

OHT.

La medición de la concentración de polvo por sensores es el

mejor método para el monitoreo de la emisividad de polvo en

caminos de acarreo.

La medición de la emisividad de polvo es un buen método para

establecer un benchmarking o nivel de referencia para indicar

cuando conviene regar.

PROCESOS EN ACTUAL DESARROLLO

Adquisición de sensor medidor (también denominado monitor) de

polvo con un rango de lectura mayor .

Definir la posición óptima del monitor para tomar lecturas

confiables.

Proponer y validar la metodología para establecer un

benchmarking de la emisividad de polvo en base a las

características de cualquier mina individual.

Recomendar la inclusión de una camioneta de monitoreo en la

flota de supervisión de mina

Efectuar pruebas de regado de vías con cisternas de ultima

generación

SIGUIENTES PASOS

Desarrollar el mapeo de emisividad de polvo de una mina

mediante el registro en tiempo real de la data tomada por la

plataforma móvil que en la practica es un monitoreo continuo de

concentración de polvo

El mapa de emisividad documenta variaciones espaciales de

emisividad a lo largo de cada segmento de vía monitoreado

El mapa permite conocer los niveles de emisividad a través de

todos los segmentos de vía siguiendo una secuencia. Los niveles

de emisividad estarán catalogados por un código de colores

Elaborar el mapa requiere sincronización con GPS y el registro de

datos

MAPA DE EMISIVIDAD

CONDICIÓN IDEAL DE LOS CAMINOS

GRACIAS!!!

24, 25 & 26 Junio

2 Julio

Noviembre 2015