Ventilacion

VentilacinMining Engineering AnalysisSME Second editionChristopher j. Bisedriosh@yahoo.comJonas kosotrianki976226056

Fundamentos de Flujo de AireEl flujo de aire en una mina es inducido por una diferencia de presiones entre el ingreso y la salidas en una mina, los cuales pueden ser chimeneas, piques, aberturas de ventilacin.Las presiones de ventilacin son usualmente descritas en pulgadas de columna de aguas, en donde una pulgada de columna de agua es igual a 5.2 libras por pie cuadrado.La diferencia de presiones se da imponiendo alguna forma de presin en uno o varios puntos en el sistema de ventilacin.La presin creada y que ser impuesta para crear la diferencia de presiones entre dos puntos debe de ser lo suficientemente mayor a la resistencia por friccin y perdidas. Fundamentos de flujo de aire.Las entradas por succin y retornos sirven como ductos de aire.El flujo de aire se dirige de un punto de mayor presin a un punto de menor presin.Existe una relacin cuadrtica entre volmenes y presiones, para duplicar el volumen se requiere cuatriplicar la presin.Respecto a la presin negativa, sistemas de ventilacin de minas pueden ser negativos (exhausting) o positivos (blowing).La cada de presin en cada divisin que vengan de un punto comn y retornen a otro punto comn sern los mismos respecto a la cantidad de aire fluyendo en cada divisin.Perdidas de presiones.Las perdidas de presiones en los sistemas de ventilacin de minas son causados por la friccin entre las paredes y el flujo de aire y presiones de choque debido a cambios abruptos del flujo de aire causado por obstrucciones.La formula para la perdida de presiones es:

H es la perdida de presin en pulgadas de columna de agua.K es el coeficiente de presin (Tabla 3.2 y Tabla 3.3)L es la longitud del camino de aire en pies.O es el permetro del camino de aire en pies.V es la velocidad del aire en pies por minutoA es el rea de la seccin transversal del camino del aire en pies cuadrados.

Tabla 3.2

Tabla 3.3

Perdidas de presiones.Los valores de la tabla 3.2 fueron desarrolladas hace 75 aos. Recientes investigaciones indican que los valores de K son ligeramente menores para minas de carbn y estos valores son mostrados en la tabla 3.3.Notar que todos los valores presentados en las tablas deben de ser multiplicados por 10-10 para obtener los correctos valores de K.Perdidas de presionesComo Q=(V)(A) Q es caudal, V es velocidad, A es rea, entocnes la Eq3.1 puede expresarse:

El termino (KLO)/((5.2)(A^3)) se conoce como el factor de resistencia (R) del camino de aire. Sustituyendo R en la Eq3.2 tenemos

Flujos paralelos en caminos de aire.Suponiendo que una cierta cantidad de aire (Q) necesita ser provisto a cierta rea de trabajo.Recordando que ampliar la capacidad de los caminos de aire es una gran preocupacin en la ventilacin de minas, hay estudios que se han realizado para determinar los efectos en las perdidas generales de cabezas en las succiones o ingresos si uno, dos o tres ingresos son provistos.

Flujos paralelos en caminos de aire.En estos casos, los valores de K, L, 5.2 y Q de la Eq3.2 no son afectados por el numero de entradas, entonces todos estos valores son representados por una constante X. Sin embargo, O y A sern afectados de la siguiente manera:Sustituyendo estos valores en la Eq3.2 nos da lo siguiente:Poner tabla de Number of intakes.

1 succin: (XO)/(A^3)2 succiones: 2(XO)/(8(A^3))=(1/4)((XO)/(A^3))3 succiones: 3(XO)/(27(A^3))=(1/9)((XO)/(A^3))

Flujos paralelos en caminos de aire.Las ventajas de mltiples caminos de aire son fcilmente claros, la nueva resistencia estar en el ratio de:

En donde N es el numero de caminos de aire paralelos.

Dividiendo Flujos de Aire.Para aprovechar el beneficio de tener mltiples flujos de aire paralelos, es frecuente dividir la cantidad del flujo total que ingresa a una mina en diferentes zonas.La cabeza total de la mina puede ser reducido con la divisin, porque la cada de presin por cada divisin que parte de un mismo punto y retorna a otro punto comn ser la misma sin importar la cantidad de aire que ingresa en cada divisin.Para lograr el mximo beneficio, las divisiones deben de ser colocadas lo mas cerca posible al punto de ingreso de aire a la mina y todas estas divisiones se deben de juntar lo mas cerca posible al punto de salida del aire en la mina.Dividiendo Flujos de Aire.En la figura 3.2 se observa que el flujo o caudal total del aire ser dividido en tres secciones separadas de la mina.El aire ser separado en un punto comn cerca al ingreso y se juntaran en un punto comn cerca a la salida.

Dividiendo Flujos de Aire.Debido a que algunas divisiones son mas largas, anchas y altas o tienen un valor diferente de K que las otras, el aire tienen a buscar el camino de la menor resistencia para salir de la mina.Segn la figura 3.2, para determinar el Q en cada divisin y recordando que H es igual para cada divisin y puede ser cancelado de la ecuacin, el caudal para cada divisin puede calcularse con:

Calculando el caudal por cada divisin, sumando todos ellos y multiplicando cada uno por el factor, se obtiene la cantidad de aire que fluir por cada divisin sin regulacin alguna.

Dividiendo Flujos de Aire.Sin embargo, no se deja que el caudal o flujo de aire que fluir por cada divisin se defina por si solo en un sistema de ventilacin de minas.Normalmente una cantidad predeterminada de caudal de aire deber de fluir por cada ramal o divisin.Usando el ejemplo de la figura 3.2, el Caudal total se divide uniformemente entre los tres ramales y la substitucin directa en la ecuacin 3.2 establece la perdida de presin por cada uno de los ramales.El ramal con el mayor valor de h ser el ramal libre que no tendr obstruccin.Esto significa que los otros ramales tendrn obstrucciones como compuertas que permitirn regular el aire que entre en estos.Esta barrera artificial es usada para aumentar los valores H (Perdidas de cabeza) por encima de el del ramal libre reduciendo la seccin y garantizar el control de la distribucin del caudal requerido en cada ramal.La seccin de rea necesaria para regular la cantidad de aire que ingresa se determina con la siguiente ecuacin.

Dividiendo Flujos de Aire.En donde A es la seccin requerida en la compuerta reguladora in pies cuadrados.Q es el caudal o flujo de aire expresado en unidades de 100,000 cfmH es la cada de presin en el regulador en pulgadas de columna de agua.

Seleccin del ventilador.El ventilador induce el ingreso de aire en las minas y obedecen las leyes de la tabal 3.4.

Seleccin del ventiladorEl rendimiento de un ventilador en una mina esta determinado por su curva caracterstica establecida por el fabricante.Como los colaboradores de la mina controlan la distribucin y mantenimiento de los ductos de aire y debido a esto las caractersticas de la mina, el punto de operacin para el sistema es funcin del diseo del ventilador y de la mina.La tabla 3.4 puede ser usado para el calculo del rendimiento del ventilador cuando hay cambios en la velocidad del ventilador y la densidad del aire.Seleccin del ventilador.Cuando se comparan dos ventiladores se debe analizar el dimetro de cada ventilador.Por ejemplo cuando un ventilador de un dimetro de 8 pies es comparado con uno de 6 pies, los parmetros del rendimiento del nuevo ventilador de 8 pies diferirn del original de 6 pies de dimetro segn las cantidades siguientes:

Seleccin del ventilador.La figura 3.3 muestra la relacin entre las curvas de la mina y de los ventiladores.Como la operacin minera es dinmica, los fabricantes de ventiladores proveen paletas regulables en estos, para que estos pequeos ajustes puedan corresponden a los cambios de resistencias en las minas.Desafortunadamente muchas minas usan estas opciones de regulaciones de los ventiladores para superar las altas resistencias de las minas debido a malos diseos o mantenimiento de las galeras de la mina.Los ajustes en los ventiladores no debe de ser la primera opcin en mantener los flujos de aire aceptables en las galeras.

Seleccin del ventilador.Como se ve en la figura 3.3, teniendo lneas adicionales de conduccin de aire ayudan a reducir la resistencia de la mina.Los mismos resultados se obtienen si las galeras so lo mas rectas posibles, se limpian las cadas de rocas y no se deja que el agua se acumule en las galeras.Aunque los ventiladores pueden ser ubicados en series para incrementar la presin o en paralelo para incrementar la cantidad de flujo, tales cambios implican el aumento del consumo de energa.Es por esto que es crucial tener una planificacin adecuada para tener xito en la ventilacin de la mina.

Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Desarrollar el diseo y distribucin de la ventilacin en una mina es complicado y necesita del uso de software y computadoras.La mayora de las nuevas minas requieren de una nueva fuente de ingreso o salida de aire aproximadamente cada 3 kilmetros debido a un incremento gradual de la resistencia de la mina a medida que esta profundiza.

Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Primer paso: Para determinar los requerimientos de ventilacin de una mina necesitamos calcular el numero mximo de sectores de trabajo.Segundo paso: una vez determinado el paso uno, se debe establecer la mnima cantidad de aire que se debe enviar a cada seccin de trabajo (en minas de carbn es 100,000 cfm). El aire se perder en las distintas secciones de trabajo debido a que estas reas estn en constante cambio y los tabiques instalados suelen estar construidos con bloques de hormign con juntas sin argamaza.El diseo debe de considerar que el 50% del aire que ingresa se perder debido a fugas.

Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Al asumir que el 50% del aire que entra en la mina va a perderse y obstaculizar el sistema de ventilacin, duplicar el aire suministrado compensara esta perdida.Si 10,000 cfm se necesita en los frentes de trabajo, 20,000 cfm debe de suministrarse a cada frente de trabajo, esto significa que se requiere 40,000 cfm en el ventilador, el cual tiene un 25% de eficiencia. Es mejor ser conservativo y subestimar la eficiencia del sistema.Tercer paso: Calcular el numero requerido de entradas. Si la velocidad maxima del aire en los ingresos se debe mantener en 800 fpm, el numero de entradas necesarias ser:Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Tercer paso: Calcular el numero requerido de entradas. Si la velocidad mxima del aire en los ingresos se debe mantener en 800 fpm, el numero de entradas necesarias para obtener el caudal total (Qtotal) ser:EN donde A es el rea de la seccin del ducto de aire en pies cuadrados.N siempre ser redondeado al mximo superior.Por simetra, un mismo numero salidas ser requerido, aunque en minas grandes se considera uno o dos salidas menos debido a un tema de costos con un mnimo de consecuencias negativas.

Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Finalmente del plan de ventilacin es dibujado.Una vez terminado se analiza el diagrama para determinar cuando y donde existe la mayor prevalida que se de la mayor perdida de presiones.Esto usualmente se da donde se tienen las mnimas secciones mas alejadas de las chimeneas

Requerimientos de ventilacin para una nueva mina.Estimando las perdidas de aire debido a fugas, galerias, las perdidas de cabeza pueden ser estimadas.Si el valor de las perdidas de cabeza superan las 3 pulgadas de columna de agua, esto indica rpidamente que existen defectos en el sistema de ventilacin.

Problema 3.1Si la cantidad de aire que fluye a travs de un conducto es 4500 pies cbicos por minuto y la lectura del manmetro es de 0,202 pulg de columna de agua, qu cantidad corresponde a un manmetro de lectura de 0,050 pulg?Solucin 3.1

Problema 3.2En el sistema de ventilacin se muestra en la siguiente figura, determinar todas las cantidades que faltan para los segmentos individuales de los conductos de aire.

Solucin 3.2

Problema 3.3Dada la siguiente red de ventilacin de la mina, determinar las cantidades de flujo faltantes y en el ramal libre (free split).

Solucin 3.3

Solucin 3.3

Problema 3.4En el sistema de ventilacin mostrado en el problema 3.2, las cadas de presin esttica baja entre los puntos estn indicados. Localice los reguladores cuando sea necesario y calcular la cantidad de regulacin (prdida de carga en pulgadas) que se necesita. Determinar la cabeza esttica para cada uno de los dos ventiladores.

Solucin 3.4

Problema 3.5Determinar el tamao del regulador que tiene que instalarse a lo largo de las cabezas que contienen Q12 en el problema 3.4

Solucin 3.5

Problema 3.6Si el factor de resistencia para 3 entradas R, cual ser el factor de resistencia para 5 entradas?

Problema 3.7Es posible distribuir por si mismo un flujo total de 180,000 cfm entre una divisin de 4 ramales que van paralelos, cada uno tiene un K=100x10-10

Cual ser la distribucin del aire?

Problema 3.8Una seccin de desarrollo de tres de entrada utilizando transporte cinta es construida hasta un lmite de 2.500 pies Si las entradas tienen 18 pies de ancho en la veta de carbn de 5-pies de altura, cual ser la cada de presin en el panel y la potencia requerida (HP) si el flujo de aire requerido es de 40.000 pies cbicos por minuto? Supongamos que la fuga es despreciable.

Problema 3.9Una galera de ingreso de 5000 pies de profundidad es usado para acarrear material usando transporte a diesel en una configuracin de triple entrada y dos divisiones. Debido a la excesiva liberacin de gas, se entregar la mxima cantidad de aire que evite la suspensin y transporte de polvo. Debido a las malas condiciones del techo, No. 1 (regreso) y N 2 (entrada) pueden tener solo 15 pies de ancho, mientras que la entrada N 3 (retorno) se llevar a cabo a 12 pies de ancho en la veta de 4 pies de alto. Los valores de K para las entradas de N 1 y N 2 son 60 10-10, mientras que para el N 3 es 100 10-10. Determinar los flujos, as como el requisito de presin de aire del panel si los ramales de retorno estn reguladas de tal manera los iguales en cada ramal.Solucin 3.9

Solucin 3.9

Solucin 3.9 corregida

Problema 3.10Cual ser la cada de presin en el 14N cuando este llega a su distancia mxima de 2000 pies si la cantidad de aire es de 20,000 cfm en la ultima cortada abierta y no hay perdidas asumidas? Recordar que transporte por fajas es usado en esta galera. El ancho de la veta es 6 pies. Otras dimensiones necesarias son mostradas en la figura.

Problema 3.11Usando el esquema de ventilacin, determinar como se distribuir 75,000cfm por si mismo entre los tres ramales, cuanta regulacin ser requerida y donde se debern de localizar?

Problema 3.12Se muestra la curva caracterstica de un ventilador.El ventilador debe de suministrar 60,000 cfm a una cabeza esttica de 2.5 pulgadas. Si es ventilador es actualmente operado a 800 rpm, cual ser la velocidad requerida para cumplir con lo requerido?.

Problema 3.13Cual seria la velocidad del ventilador del problema 3.12 si debe de suministrar aire a 0.065 libras por pie cubico?La densidad estndar del aire para la ventilacin de minas es 0.075 libras por pie cubico.

Problema 3.14Una mina opera con Q=110,000 y H=2.15in.El ventilador (A) tiene la curva mostrada.La gerencia de la mina esta planeando en desarrollar tres secciones mas. Se calculo que en su mximo desarrollo el sistema de ventilacin puede suministrar 250,000 cfm con 2.5 pulgadas.

Problema 3.14Un segundo ventilador disponible (B) fue probado y se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla.Es posible usar este ventilador adicional?

Problema 3.15El plano de la mina del problema 3.10 muestra que 3 de 6 unidades de minado continuo estn localizados en las siguientes 3 secciones: (1) Pilares 13N, (2) Desarrollo 14N, (3) Desarrollo principal del norte. Las otras tres unidades estn haciendo un trabajo similar al sur de la propiedad.La mina esta localizada en una veta de 6 pies de espesor donde la profundidad del overburden es de 1000 pies.

Problema 3.15La chimenea de ingreso tiene un dimetro de 17.5 pies y la chimenea del retorno del aire tiene un dimetro de 18 pies. Cada seccin de trabajo esta compuesto por dos ramales de aire con 200,000 cfm suministrado hasta la ultima cortada de cada ramal.Se ha anticipado que el peor caso para la entrega de aire a la mina se dar cuando la unidad en el 13n se transfiera al 15N (convirtindose as en el ramal libre). A mismo tiempo en el que 15N este en desarrollo pleno, la unidad en 14N estar en retirada y la unidad en el desarrollo principal del Norte se mover para desarrollar un panel al lado derecho del principal del norte.Problema 3.15Las fugas se distribuirn as:20,000 pies cbicos por minuto se perder en cada seccin.35,000 pies cbicos por minuto se perdern a lo largo del principal del norte entre la base del la chimenea de ingreso y el punto opuesto al regulador del sistema de purga.40,000 pies cbicos por minuto se perdern a lo largo del principal del Norte entre el punto que es opuesto del regulador del sistema de purga y el 14N.15,000 pies cbicos por minuto se perdern a lo lardo del principal del Norte entre el 14N y el 15NSe asume que 20,000 cfm del aire que llega a la ultima cortada abierta del 14N se dirigir dentro del sistema de purga.Determinar la cantidad general aproximada de cabeza para esta mina si se asumen los factores de friccion para ligeramente obstruidos, rectos y no entradas alineadas (Tabla 3.3). El factor de friccion para ambas chimeneas es de 15x10-10.