Ventilación Minera: Control de Gases, Seguridad y Cálculos Esenciales

Reglamento de Seguridad Minera: DFL 72 y Requisitos de Ventilación

El DFL 72 (Reglamento de Seguridad Minera) establece requisitos críticos para la ventilación en operaciones mineras, asegurando un ambiente de trabajo seguro.

Requisito de Aire Fresco

• Caudal mínimo: 100 cfm por persona.
• Capacidad máxima: Hasta 75 personas por frente o área ventilada.

Composición Estándar del Aire

La atmósfera en la mina debe mantener una composición adecuada para la respiración y la seguridad:

Ritmo Respiratorio y Consumo de Oxígeno Humano

La actividad física influye directamente en el consumo de aire y oxígeno, un factor clave para el diseño de sistemas de ventilación:

Fórmula del Cociente Respiratorio (CR):

CR = CO2 Expelido / O2 Consumido

Teoría y Métodos de Control de Gases en Minería

La gestión efectiva de gases en la mina se basa en una serie de principios y estrategias:

Principios de Control de Gases

• Prevención: Evitar la generación o acumulación de gases peligrosos.
• Eliminación: Remover los gases del ambiente minero.
• Aislamiento: Confinar los gases en áreas específicas.
• Absorción: Utilizar materiales o sistemas para absorber gases.
• Dilución: Reducir la concentración de gases mediante la adición de aire fresco.

Factores de Corrección (K) para Equipos y Condiciones

Estos factores ajustan los cálculos de ventilación según las condiciones operativas y el estado de los equipos:

• K1: Corrección por presión de trabajo.
• K2: Corrección por estado mecánico de los equipos. (Ej: K2 = 1.05)
• K3: Grado de utilización de los equipos.
• K4: Estado mecánico de la red de distribución. (Ej: K4 = 1.15)

Gases Relevantes en Operaciones Mineras

Los gases más comunes y peligrosos que requieren monitoreo y control incluyen:

• Monóxido de Carbono (CO)
• Sulfuro de Hidrógeno (H2S)
• Metano (CH4)
• Óxidos de Nitrógeno (NOx)
• Dióxido de Carbono (CO2)
• Dióxido de Azufre (SO2)

Etapas de Operación Minera y su Impacto en la Ventilación

Las diferentes fases de la operación minera tienen requisitos de ventilación específicos y generan distintos niveles de gases:

• Desarrollo
• Preparación
• Arranque
• Cachorreo
• Cargue

Nota: Los porcentajes de uso (70/80/90/60/100) probablemente se refieren a la intensidad o duración de la actividad en relación con la ventilación requerida.

Clasificación de Gases Presentes en la Mina

Los gases en el ambiente minero se clasifican según su origen y sus efectos:

• Gases Normales

  • Oxígeno (O2)
  • Nitrógeno (N2)
  • Dióxido de Carbono (CO2)

  (Nota: El N2 y el CO2 se consideran impurezas si su porcentaje excede los niveles normales.)

• Gases Irritantes o Asfixiantes

  • Monóxido de Carbono (CO)
  • Óxidos de Nitrógeno (NOx)
  • Dióxido de Azufre (SO2)

• Gases Explosivos y Sofocantes

  • Explosivos: Metano (CH4), Monóxido de Carbono (CO), Sulfuro de Hidrógeno (H2S), Hidrógeno (H2)
  • Sofocantes: Dióxido de Carbono (CO2), Metano (CH4)

Fórmulas Fundamentales para la Ventilación Minera

Factor de Resistencia (FR)

El factor de resistencia del aire en una galería se calcula como:

FR = ((pa - pha) / (po - pho)) * (to / ta)^0.5

Donde:

• pa: Presión atmosférica del lugar de trabajo.
• pha: Presión de vapor de agua del lugar de trabajo.
• po: Presión atmosférica del lugar de referencia.
• pho: Presión de vapor de agua del lugar de referencia.
• to: Temperatura del lugar de referencia.
• ta: Temperatura del lugar de trabajo.

Nota: 'A' se refiere al promedio del lugar de trabajo, y 'o' al promedio del lugar de referencia.

Evaluación y Eficiencia de Compresores

Relación de Volumen (Rv)

Indica la capacidad del compresor en relación con su desplazamiento:

Rv = Capacidad / Desplazamiento

(Relacionado con fallas mecánicas del compresor.)

Cálculo de Capacidad (C)

La capacidad de un compresor puede estimarse mediante la siguiente fórmula:

C = (T1 / T2) * ((p4 - p1) / p1) * v1

Donde:

• T: Temperatura en Kelvin (°K).
• P: Presión en kg/m².
• T1: Temperatura inicial.
• T2: Temperatura final, calculada como T2 = T1 * (P4 / P1)^((n-1)/n).
• P1: Presión atmosférica.
• P4: Presión final (presión atmosférica + presión manométrica).
• v1: Volumen inicial.

Relación de Compresión (Rc)

Mide la eficiencia térmica del compresor:

Rc = Tisotérmico / Tefectivo

(Relacionado con fallas en el sistema de refrigeración.)

Donde:

• Tisotérmico: Trabajo isotérmico, Tisotérmico = P1 * V1 * ln(P4 / P1).
• V1: Volumen de desplazamiento, V1 = Rv * D (donde D es el desplazamiento).
• Tefectivo: Trabajo efectivo, Tefectivo = Pmedia * D.
• Pmedia: Presión media, Pmedia = ((2n / (n-1))) * P1 * [(P4 / P1)^((n-1)/2n) - 1].

Relación Mecánica (Rm)

Evalúa la eficiencia mecánica del conjunto motor-compresor:

Rm = Pindicada / Pefectiva = Tefectivo / Tinyectado

(Relacionado con problemas en la unión entre el motor y el compresor.)

Donde:

• Tinyectado: Trabajo inyectado, Tinyectado = V * I * cos(fi) * (raíz de 3) * (eficiencia del enfriador).

Eficiencia Total (Rt)

La eficiencia global del compresor es el producto de sus eficiencias parciales:

Rt = Rc * Rm

Cálculo de Agua Condensada

Para determinar la cantidad de agua condensada en el sistema:

qo = D * Hr * w (Donde 1 atm = 10330 kg/m²)

q1 = (qo - (D * Hr * w * (P1 / P2))) * EFICIENCIA_ENFRIADOR

Donde:

• P2: Presión media geométrica, P2 = √(Pi * Pf) (donde Pi es la presión inicial y Pf la presión final).

Límites de Exposición y Concentración de Gases

La siguiente tabla muestra los Límites Ponderados Promedio (LPP) y las concentraciones típicas de algunos gases en el aire:

Nota: Los valores 10^-6 y 10^-2 son factores de conversión comunes para ppm a porcentaje o viceversa.

Balances de Oxígeno y Dióxido de Carbono

• Consumo de Oxígeno: Q * 0.21 - 0.1 = 0.195Q
• Balance de CO2: 0.003Q + CR * O2_CONSUMIDO

Cálculo de Caudal de Ventilación (Q)

Para el cálculo del caudal de ventilación, se utilizan diversas variables y métodos según las características de la mina y la operación.

Variables Comunes

• Q: Caudal de aire (m³/s o cfm).
• t: Tiempo de reentrada (minutos).
• A: Cantidad de explosivo utilizado (kg).
• LPP: Límite Ponderado Promedio (norma, en ppm).
• S: Sección de la galería (m²).
• L: Largo del frente (m).

Velocidad Mínima del Aire (Vmin)

La velocidad mínima del aire en las galerías debe cumplir con el siguiente rango:

15 m/s ≤ Vmin ≤ 150 m/s

La velocidad se calcula como: V = Q / S

Métodos de Cálculo de Caudal por Tipo de Veta

Vetas Delgadas

Q = (0.4 / t) * √(A * S * L)

Vetas Anchas / Mantos

Q = (2.3 / (k * t)) * Vst * log(500 / Vst)

Donde:

• Vst: Volumen de la galería o cámara (m³).
• k: Factor obtenido de tabla.

Métodos Semi-Masivos

Q = 2.3 * (Vg / t) * log((i * (A^2) * Ba * B) / (LPP * (A * Ba + V)))

Donde:

• Ba: Volumen total de gas emitido por kg de explosivo (m³/kg).
• B: Volumen de gas nocivo por kg de explosivo (m³/kg).
• V: Volumen de galerías de entrada y salida del lugar de trabajo (m³).
• Vg: Gases generados por kg de explosivo (m³/kg).
• i: Factor obtenido de tabla.

Métodos Masivos

• Voladura Secundaria (rx 2daria): Q = (40.3 / t) * √(Aar * Vd)
• Voladura Primaria (rx 1aria): Q = (50 / t) * √(Aar * Vd)

Donde:

• Aar: Cantidad de explosivo arbitrario (kg).
• Vd: Volumen de galería llena de gases (m³).

Si el Método de Voladura es Desconocido

Q = ((A * a * 100) / (t * LPP))

Donde:

• a: Volumen de gases emitidos por kilogramo de explosivo (m³/kg).

Sistemas de Ventilación Auxiliar (SVA)

Soplante

• Galería Regular: Q = (7.8 / t) * ³√(A * V²)
• Galería Irregular: Q = (21.4 / t) * ³√(A * V)

Donde:

• V: Volumen de la galería (m³).

Restricción: L ≤ 0.5 * √(S) * (1 + (1 / (2 * a)))

Donde:

• a: Factor obtenido de tabla.

Aspirante

Q = (6 / t) * √(A * S * (75 + A))

Restricción: L ≤ 3 * √(S)

Mixto

• Si L ≤ 50m: Q = (15.6 / t) * √(A * V)
• Si L ≥ 50m: Q = (112 / t) * √((A * V) / L)

Consideraciones Adicionales para el Factor 'i' y 'k'

• Para el factor k, comparar con phi = ((a * Lst) / √(S)) ≥ 0.38.
• Donde a es el factor estructural de flujo y Lst es el largo del caserón.
• Si no se obtiene un valor directo, se debe interpolar linealmente.
• Para el factor i, calcular p = Vst / A, donde Vst es el volumen del lugar de trabajo y A son los kg de explosivos utilizados.
  • Si p ≤ 3, entonces i = 0.175.
  • Si 3 < p ≤ 10, entonces i = 0.25.
  • Si p > 10, entonces i = 0.3.

Fórmulas de Dilución de Gases

Dilución Instantánea

Q = Qgas / (LPP - β)

Dilución Forzada

Q = (V / t) * ln((Qgas - Q * Xo) / (Qgas - Q * X))