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La ventilación en las minas carboniferas
- Grandes ventiladores en una mina carbonifera
Uno de los primeros problemas que han
enfrentado los mineros al extraer el carbón es la naturaleza peligrosa
del gas producido por la extracción del carbón. La ventilación de una
mina de carbón subterránea se ha convertido en una operación necesaria y
de vital importancia para la seguridad de los mineros y las
instalaciones. La ventilación de la mina tiene un doble en propósito:
- Primero, mantiene la vida de quienes laboran en ella.
- Segundo, lleva hacia el exterior los gases peligrosos, como el metano que se desprende del carbón.
Historia
En el pasado, la minería se daba cerca
de la superficie donde estaban disponibles la luz y la ventilación
naturales. Las fogatas eran utilizadas para introducir el aire fresco
dentro de la mina y había la necesidad de ventilar el humo caliente
fuera de la mina.
Mucho antes de que el carbón fuera
minado en Norteamérica, las minas de carbón en Europa fueron diseñadas
con entradas duales; una mediante la cual el aire limpio del exterior
fluyera hacia el interior de la mina y otra mediante la cual se
expulsara este mismo aire viciado o contaminado con los gases naturales
de la extracción. Inicialmente, la ventilación de las minas fue
asistida por hornos subterráneos, que utilizaron el principio práctico
de la corriente aérea ascendente derivada de un fuego causa una succión
del aire de la mina y este aire era substituido por el aire exterior
que era inyectado dentro al terraplén o la boca mina, este método era
especialmente peligroso debido a los gases explosivos que se acumulaban
dentro de la mina.
La presencia del gas es siempre apuro en
una mina. El gas de metano ó el gas del pantano (conocido también por
los mineros como el bao del diablo), en concentraciones de 1.25 % ó más,
puede causar una explosión subterránea de gran alcance; especialmente
si es acompañado por una alta concentración del polvo de carbón. Otros
gases a menudo presentes en una mina de carbón son el monóxido de
carbono y sulfuro del hidrógeno.
La presencia de estos gases hizo
necesario que la ventilación apropiada esté asegurada en instalaciones
subterráneas. Cabe hacer notar que las concentraciones de gas metano
cerradas son altamente explosivas al contacto del oxigeno por lo que la
ventilación se debe dar de forma precisa y controlada.
En otro tiempo los canarios solían haber
sido utilizados para detectar el gas en minas de carbón en los primeros
tiempos de las minas. Este pájaro que es extremadamente sensible al
medio ambiente era colocado en los túneles y si esté fallecía, los
mineros saldrían inmediatamente de la mina.
Sin embargo antes de 1870, los
encargados y las personas calificadas utilizaban rusticas lámparas de
seguridad para detectar el gas, este método pronto fue remplazado por
las lámparas de petróleo lo que les permitía a los trabajadores iluminar
el área de extracción, así mismo comenzaron a rociar las paredes con
caliza para evitar la ignición del carbón en los túneles.
Pronto, los ventiladores fueron
utilizados para extraer fuera de la mina el gas contenido en los lugares
de trabajo y transportado en corrientes de aire principales al
exterior.
Las puertas de las trampas de succión
fueron colocadas estratégicamente como parte del sistema de ventilación
para dirigir el flujo del aire a o desde áreas seleccionadas, sin
embargo al fijar las trampas de succión situadas en las puertas más
ocupadas que se abrían para permitir el paso del carbón, de los
materiales y de los hombres, las “corrientes del aire” fueron cortadas
con frecuencia a través del carbón y de la roca, provocando accidentes.
En los años 20 los ventiladores antiguos
fueron substituidos por los ventiladores pequeños eléctricos de
turbina. Los ventiladores grandes del tipo de la succión fueron
colocados en la superficie y aumentados gradualmente de tamaño con el
paso del tiempo. El aire de los compresores superficiales fue
transportado mediante tubos en la mina a la maquinaria que provee de
energía y ayuda en el proceso de ventilación. Dentro de las minas
carboníferas se pueden encontrar diversos gases (Tabla 1) producidos por
la extracción del mineral y entre los mas importantes encontramos:
Oxígeno:
No tiene color, sabor u olor, sus
efectos al 21% cualquier fuente de ignición puede encenderlo, al 15% la
respiración comienza a ser difícil, al 10% se considera muy perjudicial
para la salud.
Dióxido de Carbono:
Es incoloro e inodoro, es producto de la
combustión, puede causar sofocación y la muerte, sus efectos al 3% son
dificultad para respirar y al 10% puede causar la muerte.
Monóxido de Carbono:
Muy poco color y olor, es producto de una combustión incompleta, su efecto al 0.05% es riesgoso para quien lo respira.
Metano:
Muy poco color y olor y altamente inflamable, se vuelve explosivo al contacto con el aire.
Sulfato de Hidrogeno:
Tiene un olor desagradable y sus efectos al 15% son fatales para la vida.
Hidrogeno:
Es explosivo al mezclarlo con el aire.
Dióxido de Nitrógeno:
Tiene la característica de poseer un color rojizo.
Tabla 1
El Carbón
Debemos recordar que el carbón es un
combustible sólido de origen vegetal, en eras geológicas remotas, y
sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de
años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban
cubiertas por una vegetación muy abundante que crecía en pantanos.
Muchas de estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos tan
grandes como árboles. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el
agua y se descomponían poco a poco. A medida que se producía esa
descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno e hidrógeno,
con lo que quedaba un depósito con un elevado porcentaje de carbono.
Así se formaron los depósitos, con el
paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron acumulándose sobre
algunos de estos pantanos. La presión de las capas superiores, así como
los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor
volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar el
carbón que hoy se extrae de las minas.
Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo en:
Turba:
Constituye la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad.
Lignito:
El carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor.
Carbón Bituminoso:
Tiene un contenido aún mayor que el lignito, por lo que su poder calorífico también es superior.
Antracita:
Es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico.
Grafito:
Se forma por la presión y el calor adicionales sobre el carbón, el grafito es prácticamente carbono puro.
Las aplicaciones del carbón obtenido (Tabla 2) son variadas y representa una fuente de energía muy importante.
Tabla 2
Ventilación
Cuando el mineral se encuentra a grandes
profundidades se cavan pozos hasta llegar a la veta y después se forma
una galería para extraerlo.
Para ventilar este tipo de explotación
se utiliza un método que consiste en comunicar entre sí estos pozos para
que los gases que emana el carbón salgan al exterior y no se produzcan
explosiones. Para evitar que la mina se hunda se le pone pilares en
cada capa y cuando ya se ha terminado la extracción completa de la veta
se provoca el derrumbe de la mina.
Para transportar el material se hace por
medio de vagonetas en las instalaciones y si la explotación minera está
más modernizada se hace por medio de cintas transportadoras y
elevadores. El carbón por su naturaleza siempre sale con materiales que
dificultan su utilización y disminuye su calidad con respecto al poder
calorífico del mismo. Para limpiarlo se utilizan medios físicos como la
trituración y el lavado.
Las minas subterráneas se abren en zonas
con yacimientos minerales prometedores. El pozo es la perforación
vertical principal empleado para el acceso de las personas a la mina y
para sacar el mineral. Un sistema de ventilación situado cerca del pozo
principal lleva aire fresco a los mineros y evita la acumulación de
gases peligrosos como el metano, además un sistema de galerías
transversales conecta el yacimiento de mineral con el pozo principal a
varios niveles, que a su vez están conectados por aberturas llamadas
alzamientos. Las gradas son las cámaras donde se extrae el mineral
(Figura 1).
Figura 1
Para la correcta ventilación se instalan
sistemas de ventilación capaces de mantener un porcentaje mínimo de gas
inflamable (grisú) a niveles que no sea posible dicha inflamación.
Aunado a los sistemas de ventilación correcta el personal y el equipo
deben de contar con equipos certificados para garantizar la seguridad en
sus tareas y así mismo tener el material necesario y equipos de
salvamento siempre disponibles.
Para producir con seguridad el carbón,
el ambiente gaseoso de las minas subterráneas se ve en la necesidad de
recircular grandes cantidades de aire para diluir las peligrosas
concentraciones de gas metano derivado de la extracción del carbón.
Típicamente, las minas carboníferas necesitan guardar niveles de
funcionamiento debajo de un 1 % de concentración de gas metano.
Casi todo el porcentaje de este gas
metano extraído por el sistema de ventilación de la mina (SVM) es
expulsado por los respiraderos a la atmósfera. La agencia para la
protección del ambiente (EPA) de los Estados Unidos estimo que en el año
2000, los niveles de emisiones derivados de la ventilación global al
medio ambiente de gas metano proveniente de la extracción de carbón
excedieron los 17 billones de metros cúbicos (600 Bcf), que son el
equivalente a 237 millones de toneladas de bióxido de carbono. Para
poner esto en perspectiva, éstos niveles representan las emisiones
anuales totales de CO2 de más de 50 millones de automóviles funcionando
ininterrumpidamente.
Así mismo la emisión de gas metano
contribuye al efecto invernadero en la atmósfera e impacta a las
actividades humanas, a modo de comparación podemos ver en la siguiente
tabla la eficacia radiativa de ciertos gases entre ellos el metano, esto
significa su capacidad de absorción de la radiación infrarroja tomando
como punto de partida el CO2 (unidad 1 en el cuadro anexo) y su
contribución relativa en el aumento del efecto invernadero del planeta.
Una de las tecnologías más robustas para
la ventilación y extracción del gas metano de las minas carboníferas,
son las turbinas de flujo reversible (Figura 2) que pueden capturar
hasta 100 por ciento del metano extraído y el calor producido de la
extracción puede ser utilizado localmente para procesos de calefacción
en regiones de temperaturas muy bajas, tal es el caso de las minas
situadas en regiones extremadamente frías.
Estas tecnologías de ventilación y de
extracción emplean el principio del intercambio de calor regenerativo
entre un gas y una pared sólida del medio de intercambio de calor.
Figura 2
El gas metano extraído por el sistema de
ventilación de las minas carboníferas puede también ser utilizado como
aire de combustión para la energía de proyectos dentro de las
instalaciones. Este uso está técnica y comercialmente probado en algunas
modernas instalaciones mineras, por desgracia la mayor parte del gas
extraído de las minas de carbón es expulsado al medio ambiente.
Los principales tipos de ventiladores
usados en las minas de carbón son los de tipo axial, deben ser
ajustables, controlables y su diseño debe ajustarse completamente al
volumen de aire que requiera controlarse.
Para los cálculos comunes de la
ventilación, los procedimientos asumen que el aire es un líquido
incompresible que contesta a la ecuación de D’Arcy.
Las fórmulas y los cálculos, basados en
los trabajos de investigación realizados por Atkinson y McElroy, emplean
los “factores empíricos de la fricción” que no toman completamente en
cuenta las variaciones en la presión, la temperatura, la evaporación y
la condensación, etc.
En la mayoría de los casos, los
procedimientos simplificados rinden resultados satisfactorios; sin
embargo, cuando el aire de mina se debe circular sobre una distancia
vertical significativa, o cuando el aire se requiere para refrescar el
ambiente viciado de las galerías de extracción, un análisis más
sofisticado es generalmente necesario. Incluso cuando se utilizan las
fórmulas simplificadas, los cálculos requeridos para analizar la red de
vías aéreas a construir o la mina propuesta son inadecuados.
La dificultad que surge es importante
porque el circuito de ventilación para una mina en funcionamiento cambia
día con día. Hoy, la mayoría de los problemas de ventilación de la red
de ductos dentro de la mina son solucionados por la computadora usando
programas internos o software comercial disponible con los fabricantes
de los sistemas de ventilación (Figura 3).
Figura 3
En climas templados, el calor resultante
del aire extraído de la ventilación puede tener que ser calentado
durante los meses del invierno para proporcionar comodidad a los mineros
y para evitar la congelación de los equipos.
Las minas calientes en climas templados o
tropicales requieren típicamente el aire fresco. Las minas
subterráneas profundas encuentran siempre temperaturas más calientes de
la roca y el aire es calentado naturalmente por presión mientras que
viaja hacia abajo. El enfriamiento por medio del aire de la ventilación
solamente, puede llegar a ser inadecuado. El enfriamiento más
eficiente es obtenido enfriando y agregando hielo al agua obtenida
durante el proceso y recirculándola al subterráneo.
Diseño del circuito primario de ventilación
McElroy fue el primero que propuso un
circuito ideal de ventilación para una mina de metal subterránea en
1935. Colocó los ventiladores en superficie en dos trampas de aire de
vuelta en las extremidades del cuerpo del mineral. El aire fresco fue
dibujado abajo del eje de funcionamiento (de la producción), que fue
situado cerca del centro de la zona del mineral. El control de la
circulación de aire fue proporcionado por las puertas colocadas de
cualquier lado del eje de la producción en cada nivel de funcionamiento.
Veintiséis años más adelante, Hartman propuso una disposición similar,
“el arreglo ideal de aberturas principales es localizar el flujo de
aire en o cerca del centro de operaciones y cubrir las áreas que minan
activas con las vías aéreas del extractor.
Para el caso ideal con una aplicación
simple, encontramos un ventilador con su trampa de aire colocado desde
la superficie hasta el extremo del cuerpo de la mina, uno para el aire
fresco (VAF) y uno mas para el aire de retorno (VAR),. Con los
ventiladores en la superficie uno para (VAF) y otro para (VAR) el punto
de ventilación neutral lo encontramos en el centro de la instalación
entre los trabajos y los arreglos lo cual provee el mejor circuito lo
que simplifica el control sobre la distribución del aire en la red de
minas. Recientemente, ha llegado a ser popular tener la instalación
principal del ventilador en el (VAR) solamente. En teoría, este arreglo
evita la instalación de cerraduras del aire y (cuando hay un apagón) el
aire estancado de galerías sin salida no será conducido dentro de
funcionamientos activos de la mina. Es también más fácil eliminar la
pérdida de la presión de la velocidad con una instalación correctamente
diseñada.
En minas localizadas en terrenos
montañosos, existe una diferencia grande entre la temperatura de la roca
subterránea y la atmósfera, las cantidades significativas de aire de
ventilación fluirán de una entrada en una elevación a una salida en
otra. La circulación del aire puede convertirse en estancamiento. Para
proporcionar la circulación de aire confiable, (“forzado”) la
ventilación mecánica se requiere. El diseño del sistema debe ser capaz
de dirigir (y de no de bloquear) la presión de ventilación natural.
Los ductos de ventilación se requieren
para dirigir el flujo de aire, incluyendo las trampas de aire para la
extracción. Los dos tipos comunes de ductos de ventilación usados en las
minas carboníferas son los de tubería de metal (“línea dura”) y
tubería de la tela (“tipo bolso”). El ducto de tipo bolso es solamente
conveniente para la ventilación forzada a menos que se refuerce con el
cableado espiral que aumente grandemente su resistencia.
Los ductos son normalmente circulares en
la sección transversal; sin embargo, en circunstancias especiales, se
emplean los ductos ovales o rectangulares y éstos se pueden construir de
fibra de vidrio, de metal, o aún de concreto y aleaciones reforzadas.
Ventiladores
Los ventiladores del sistema primero son
diseñados determinando la presión total necesitada (Ht) para entregar
la cantidad requerida del aire (q); (Ht) es la suma de la presión
estática y de la presión de la velocidad.
Los ventiladores que funcionan mediante
el aire comprimido se emplean a menudo para los niveles de exploración o
de desarrollo donde no es práctico proporcionar corriente eléctrica.
Estos ventiladores se diseñan en varios
tamaños de hasta 24 pulgadas de diámetro; sin embargo, el tamaño más
común es de 12 pulgadas.
El mejor lugar para medir el flujo de
aire que entrega el sistema es justo contra la corriente donde el área
de la sección representativa se define bien y la circulación de aire es
menos turbulenta.
El fabricante del ventilador proporciona
generalmente las aberturas convenientes para insertar un tubo pitot.
Veinte lecturas se toman comúnmente, cinco en cada cuadrante.
La profundidad de las lecturas
proporciona las áreas iguales cubiertas dentro de la entrada, de modo
que un promedio aritmético simple proporcione un valor confiable. La
velocidad del aire se puede entonces determinar de la presión media por
la fórmula siguiente:
V = 1,100 (VP/a)1/2
En donde:
V=velocidad (pies/minuto)
VP = presión media (pulgadas de agua)
a = densidad del aire (libras/ pies cúbicos)
El correcto diseño del sistema de
ventilación dentro de una mina subterránea es de vital importancia para
asegurar la supervivencia de los trabajadores así como el correcto
funcionamiento de los equipos de trabajo.
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