Ventilación Natural - Ingenieria en Minas

7/23/2019 Ventilación Natural - Ingenieria en Minas

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Complementos de Minería

Ventilación Natural



Contenidos• Introducción

• Dirección del flujo

• Ventilación natural en mina ideal

• Ventilación natural en mina real• Cálculo de la ventilación natural



Ventilación Natural - Introducción

A través de las galerías de un mina no puede haber flujo a menos que laspérdidas sean superadas por algún tipo de ganancia de energía que lascompense. Existen dos fuentes de energía que pueden superar estaspérdidas: Naturales y Mecánicas (o artificiales). La única fuerza natural quepuede generar y mantener una corriente o flujo al interior de una mina es laenergía térmica intercambiada con la roca, dada por la diferencia de energíaentre el aire que ingresa y la temperatura interior (principalmente de la roca).En muchos algunos este intercambio de energía puede vencer las pérdidaspor fricción y choque, lo que puede inducir y mantener una corrientepermanente.

Históricamente, la ventilación natural ha sido y sigue siendo utilizada comosistema de ventilación, principalmente en pequeña minería. Debido a que laventilación natural es muy cambiante (depende de la época del año, de los

cambios térmicos entre el día y la noche), debe controlarse y tratar de no serutilizada como sistema principal.

Debido a que puede entregar presiones desde unos pocos milímetros decolumna de agua a unos 80 mmca, como es el caso de minas profundas, el

diseño de ventilación debe tomar en cuenta la ventilación natural para unahorro de energía y un sistema eficiente de ventilación.




El efecto chimenea es conocido, en el cual el aire caliente asciende por unatubería vertical hacia el exterior y eso provoca la circulación de aire al interior

de un cuarto. Un efecto similar sucede en las minas que se profundizan,donde como resultado de la diferencia de cota y de temperatura de las zonas

de trabajo, el aire caliente asciende a través de las galerías y zonas detrabajo creando circulación de aire. Antiguamente, se empleaban hornos y

hogueras para potenciar la ventilación natural, así como caídas de agua yaparejos de velas soplantes.

La ventilación natural depende de la diferencia de elevación desde lasuperficie hasta las áreas de trabajo (es donde existe más área abierta) y dela diferencia en la temperatura del aire entre el interior y el exterior de lamina. A mayores diferencias mayor es la ventilación natural (reflejado encaudales mayores). En realidad, más importante que la profundidad de la

mina es el intercambio termodinámico que se produce entre la superficie y elinterior. Las principales fuentes de calor al interior de una mina son la

autocompresión, las paredes de la roca y los equipos electromecánicos.Las minas ubicadas en cerros o zonas montañosas habitualmente tienen unafuerte ventilación natural debido a las diferencias de cota de las bocas.




Las variaciones superficiales entre verano e invierno son muy comunes enmuchas áreas mineras en el mundo. No obstante, las temperaturas en las

minas varían poco, excepto en los piques y cercanías de portales; el efectode las variaciones diarias y estacionales tiende a ser amortiguadas el calor

litostático, que suministran calor al aire de ventilación o que extraen calor deella.

Durante los meses de verano, por ejemplo, el aire caliente del mediodía seenfría durante su movimiento hacia abajo. Por otra parte, el frío aire demedianoche lo puede calentar.

El contenido de humedad del aire de admisión varía notablemente según lasestaciones, mientras en el aire que sale de la mina se mantienerelativamente estable, mostrando el efecto de temple de las excavacionesmineras (Bruzewski y Aughenbaugh, 1977). El caudal de la ventilación

natural generada por la energía térmica es, por lo tanto, variable.

La dirección del flujo de aire debido a la ventilación natural es rara vezconstante, sobre todo en las minas superficiales [aquellas de menos de 1500ft o 450 m de profundidad]. Si la diferencia de temperatura que causa el flujo

de aire disminuye a cero, el movimiento del aire se detiene.




Si la temperatura en la superficie cambia con respecto a la temperatura de lamina, la dirección del flujo de aire también va a cambiar. Esto puede ocurrirno sólo estacionalmente, sino incluso a diario. Si bien el efecto de lavariación atmosférica diaria puede ser de poca importancia, el efecto de loscambios estacionales pueden ser apreciables (Biswas, 1966). La ventilación

natural es por lo general más intensa en invierno, más débil en verano, ysometida a la inversión semianual en la primavera y el otoño.

Se puede concluir entonces que la ventilación natural es fluctuante,inestable, y no es fiable. No se debe confiar en la ventilación natural

exclusivamente para la ventilación y acondicionamiento de aire en las minas.La ventilación natural puede apoyar o actuar en contra de la fuente deenergía mecánica en el sistema de ventilación. Siempre que sea posible, laventilación natural se debe utilizar potenciando el trabajo en conjunto con elventilador (es decir, donde el flujo tiene la misma dirección que el ventilador).

Evidentemente, se deben controlar los efectos de ventilación natural y susefectos en la mina.

100 - 120 mmca1.000 - 2.000 m

50 - 60 mmca700 - 800 m

25 - 30 mmca400 - 500 m

Presión Natural de VentilaciónProfundidad de la Mina



Dirección del flujo

Si se analiza el sentido del flujo que resulta de la ventilación natural en uncircuito simple, se debería seguir el siguiente procedimiento y realizar lassiguientes observaciones:

1. Visualizar las columnas de aire con la misma altura entre dos líneas de

referencia para comparar las diferencias de presiones entre puntos delcircuito. Estos balancean el cambio en la elevación entre la aspiración y ladescarga. Las columnas se deberían extender entre las elevaciones

desde los más altos a los más bajos puntos en la mina.2. Considere que las temperaturas en la superficie en el invierno son más

bajas que en el interior de la mina, y viceversa en verano, a menos que secuente con información más exacta que corrija esto.

3. La columna más fría de aire (con la temperatura media más baja) es lamás pesada y desplazará a las más caliente y liviana.

4. La dirección del flujo de aire en la mina será desde la columna máspesada hacia la más liviana.



Dirección del flujo

Consideremos un esquema simple de tres minas, cada una de ellas de dospiques conectados interiormente por galerías. Las líneas de referencia de lazona más alta y la más baja conectan la entrada de los piques y el fondo. Enla tabla se especifica la dirección

Izquierda a derechaIzquierda a derechaNingunoDirección verano

Derecha a izquierdaDerecha a izquierdaCualquieraDirección invierno

NoNoSiNecesita inducción(c)(b)(a)Esquema

Cuando la diferencia de cota entre entrada y salida es muy pequeña el flujodebe ser inducido. Una vez inducido, el flujo seguirá hasta que la diferenciatérmica entre el interior y el exterior no permita ya vencer las pérdidas. En

invierno se asume una diferencia térmica entre interior y exterior, pero en

verano se asumen temperaturas más parecidas, por lo que el flujo tenderá aser menor o nulo.



Ventilación natural en mina ideal

Aún en zonas sin diferencias en la elevación de sus entradas y salidas puedeexistir flujo por ventilación natural, como en túneles horizontales en los cualespuede existir una diferencia de temperaturas entre el interior (roca, vehículosy maquinaria) y el exterior.

En el caso de una mina ideal el análisis gravimétrico de la situación es elaumento de presión en la columna de aire liviano caliente el cual ha sidocalentado en la labor que une a los dos piques. Con ello se presenta unadiferencia de presión entre las dos salidas que genera el movimiento. Unanálisis termodinámico del proceso nos lleva a:

• No existe pérdidas de fricción ni choque (H = 0 kg/m2)• La energía cinética no tendrá importancia• Los procesos en el interior de la minas son adiabáticos• Habrá entrega de calor en la explotación de la mina, laboreo

• No existe evaporación ni se agrega gases al aire• La presión atmosférica es la misma en los dos brocales de los piques




Se asumen las siguientes condiciones:• No hay cambio en la energía potencial.• No hay cambio en la energía cinética.• No existe trabajo realizado por el aire.• No existe trabajo perdido a causa de fricción o choque.

P2 * V2 / T2 = P3 * V3 / T3 ;P2 = P3T2 < T3

Luego: V2 < V3




1 - 2 Compresión adiabática producida por el cambio de presión2 - 3 Expansión a presión constante3 - 4' Expansión adiabática hasta el brocal (4')4' - 4 Expansión en el brocal a la presión atmosférica (4-4'). Esto es lapresión de ventilación natural.

4 - 1 Compresión a presión constante el aire arroja su calor hasta alcanzar sutemperatura atmosférica.El área "a-1-2-b-a" = Cambio de energía potencial y es igual al área "b-3-4'-c-b"El área "c-4'-4-a-c" = al área "1-2-3-4-1" = Trabajo de ventilación natural.4'- 4 presión de ventilación natural.

Lo que interesa es aumentar esta área agrandando su altura y su ancho. Paraaumentar la altura debemos profundizar la mina. Es evidente que esto no depende dequien está tratando de usar la Ventilación Natural.

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



Ventilación natural en mina real

En una situación real se consideran las pérdidas por el roce del aire con lasparedes de las galerías y por choques a causa de singularidades. El gráficoP-V se transforma, de manera que la posibilidad de entregar trabajodisminuye y la Presión de Ventilación (4') también.La ventilación natural es de gran importancia para la ventilación de minas,

particularmente de las profundas. El valor de la presión natural en las minasgrandes puede alcanzar el 50% y más de la presión total y el caudal del airepuede llegar a ser de 100 m3 /s. Muchas minas metalíferas importantes,situadas en relieve montañoso, por ejemplo en Bolivia, tienen únicamenteventilación natural.

En un diagrama "H-Q" la ventilación natural se representa por una líneahorizontal.

volumen



Cálculo de la ventilación natural

1. Métodos hidrostáticos de cálculo de la ventilación naturalSe puede determinar como la diferencia de pesos de columnas de sección unitaria yde igual altura de aire entrante y saliente:

Hn= L * (ρ1 - ρ2) = p1 - p2 (mmca)

L = altura del pozo/pique (m)

ρ1 - ρ2 = pesos específicos medios en los pozos de aire entrante y saliente (kg/m3)p1 y p2 = presiones de las corrientes entrante y saliente en la profundidad L (mmca)

Para determinar el peso específico del aire, se puede utilizar la fórmula simplificada:

ρ = 0,465 p/T (kg/m3)donde:p = presión barométrica (mmHg)

T = temperatura absoluta del aire (K)

Esta fórmula no toma en cuenta la humedad del aire, pero el error en los cálculos,

no sobrepasa de ±1% si los rangos de presión y temperatura se hayan entre 700 a

800 mmHg y de 0 a 30 º C.




Las presiones p1 y p2 se determinan por las fórmulas:log p1 = log p0 + 0,015 L/T1

log p2 = log p0 + 0,015 L/T2

T1 y T2 = temperaturas medias absolutas del aire entrante y saliente.

Dos mediciones por pozo son suficientes, en el enganche inferior y cerca de los 35m de profundidad. También se utiliza la fórmula:

R * (273 + t2)R * (273 +t1)100 } (mmca)

13,6 * 100

-

13,6 * 100*

{

P0 * L

Hn =

R = 29,27 constante de gases, igual para el aire;t1 y t2 = temperaturas medias de la corriente de aire entrante y saliente (ºC).

Cuando L > 100 m, hay que multiplicar Hn por un coeficiente de corrección(1 + L/10.000).



Cálculo de la ventilación natural2. Mediciones de la depresión de la ventilación natural.En minas sin ventilación artificial. Un método sencillo consiste en medir con elbarómetro las presiones de aire en los enganches de ambos pozos. La depresiónnatural es:

Hn = p1 - p2 + (R1 + R2) * Q2

p1 y p2 = lecturas de barómetros en enganches de los pozos de entrada de aire y deventilación (mmca)R1 y R2= resistencias aerodinámica de ambos pozos (kg/s2 /m8)Q = (Q1 + Q2)/2Q1 y Q2 = caudales de aire que pasan por los pozos (m3 /s)

Si los enganches no están ubicados al mismo nivel, hay que introducir unacorrección en el peso de la columna de aire entre los niveles de los enganches:

P = (±) L * (ρ1 + ρ2)/2 (mmca)

Entonces la fórmula se transforma:

Hn = p1 - p2 + (R1 + R2) * Q2 (±) L * (ρ1 + ρ2)/2 (mmca)

Cuando la parte superior del pozo de entrada de aire está situado por debajo delpozo de ventilación, la corrección tiene signo menos.




Otro método de medir la depresión natural consiste en instalar un tabique con puerta en unagalería, por la que pase la totalidad de la corriente de aire; la depresión total es igual a ladiferencia de presiones, medidas con barómetro de precisión o cabeza estática (+ tubo ymanómetro) a ambos lados del tabique. La medición debe realizarse rápidamente después delcorte de la corriente, para que no cambie la temperatura del aire y en consecuencia su

densidad.

En minas con ventilación artificial y con el ventilador en marcha, se miden el caudal de aire Qy la depresión H. Después el ventilador se detiene y se cierra el paso del aire mediante unacompuerta, se abre la tapa del pozo de ventilación y después de esperar algunos minutos, semide la nueva cantidad de aire Qn que sale del pozo.

Resolviendo las dos ecuaciones, se calcula la depresión natural Hn:

Hm + Hn = R * Q2

Hn = R * Qn2



BibliografíaHartman, H.; Mine Ventilation and Air Conditioning;

Third Edition; Wiley – Intercience, 1997.

McPherson, M.; Subsurface Mine Ventilation; MVS 2thEdition, 2009.

Yanes, E.; VENTILACION DE MINAS. Servicio Nacional

de Geología y Minería. 2001.

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