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CALOR EN MINAS SUBTERRANEAS MAYORES DE 1000 METROS

Por: Ing. CIP Alfredo Domingo León Landeo – Consultor de Ventilación Minera – aleon@noovasac.com
En el mundo tenemos muchas minas profundas que presentan peligros por sostenimiento y ventilación. Ello se debe a los altos esfuerzos que soporta el macizo rocoso y porque desencadenan en estallidos de roca. Lo anterior encuentra explicación en parte al sostenimiento inadecuado, que provoca la caída de rocas y en el peor de los casos derrumbes. Del mismo modo, se produce el incremento de la temperatura ambiental, esto debido, en algunos casos, a la reacción exotérmica de los minerales, la presencia de agua infiltrada en la roca, fuentes hidrotermales. En efecto, la roca reacciona con el agua y el calor, el aire se enrarece y contribuye a la mala ventilación del sistema de ventilación que dispone la mina.
Estas condiciones de trabajo representan los problemas actuales que tiene que enfrentar la operación, siendo un caso las minas auríferas del Perú. Las minas se han profundizado tanto que se encuentran ahora por debajo de los 1000 metros de profundidad.
Países como Australia, Canadá y Sudáfrica, poseen normas que señalan las características que se toman en cuentan para considerar las minas profundas en base a la Geología. Así pues, las normativas y su legislación presentan un control, de los diferentes yacimientos subterráneos y las operaciones; mientras tanto en el Perú, aún no se tiene normado.
El incremento de temperatura en las minas subterráneas es frecuente, principalmente debido a la falta de aire fresco, o la exposición de diferentes fuentes de calor latente y sensible, como son los equipos Diésel, la voladura de rocas, el metabolismo humano, el tendido de las tuberías de agua, el drenaje de agua caliente expuesto en mina. Entonces las mediciones de la temperatura del bulbo seco (BS) aumentará de 2.5 a 3° C, por cada 100 metros de profundidad. Otra condición se debe al fenómeno denominado “gradiente geotérmico”. Del mismo modo, la temperatura del bulbo húmedo (BH), irá variando, en función al calor y la presencia de aguas mesotermales o caliente (entre 35 y 45°C).
Mina subterránea – Ejemplo práctico
El yacimiento minero se encuentra en la localidad de Retamas y está emplazado en rocas intrusivas en el Batolito de Pataz, constituidas por granodioritas, tonalitas y monzogranitos, asociados estructuralmente a una zona de cizallamiento. Las vetas están hospedadas en las rocas intrusivas y están constituidas por cuarzo, sulfuros (pirita, galena, esfalerita, arsenopirita, calcopirita), oro libre y electrum.
El sulfuro más importante es la pirita, siendo la más masiva y fina la que contiene el mayor porcentaje de oro. La alteración de la roca caja es producto, básicamente, de la sericitización y cloritización. Los fluidos mineralizantes son metamórficos de baja salinidad y con temperatura aproximada de 300° C. Todas las características litológicas, estructurales, mineralógicas y de tipo de fluido sugieren que el yacimiento es del tipo orogénico de oro o mesotermal aurífero.
Según el estudio que realizamos, la mina presenta una profundidad de 1000 metros, aproximadamente. El método de explotación que vienen aplicando para el proceso del minado es el corte y relleno ascendente mecanizado.
El sistema de ventilación que presenta la mina es efecto mecánico-eléctrico, por extracción (succión) forzada por 8 ventiladores principales de tipo axial de alabes variables, los cuales conforman el sistema principal de extracción del aire usado a superficie. Su capacidad no cubre las necesidades actuales, el caudal de alimentación o entrada (Qi). Asimismo, la mina cuenta con ventiladores auxiliares de 20 a 30 Kcfm, que inyectan aire mediante ductos de polipropileno de 300 – 400 gr/m2 de 28 a 30” Ø, 2 líneas en paralelo, a los frentes de exploración o desarrollos, denominados “zonas ciegas” (no cuentan con circuito abierto). Estas constituyen permanentemente labores de riesgo (galerías, cruceros, by passes, chimeneas y tajeos, todos en el proceso de construcción), cuando no se ventila de forma adecuada (ingreso y la evacuación de aire viciado al circuito principal y luego a la superficie es lo ideal).
El ingreso de aire fresco o caudal de entrada (Qi) se da a través de las bocaminas principales de la mina, y cuyo volumen medido es menor al requerimiento. En consecuencia, el objetivo del estudio consiste en independizar las zonas operativas y determinar el requerimiento de aire ya zonificado (calce) y diseñar, según los parámetros exigidos por la norma, el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional ordenado por D.S. Nro. 024-2016-EM del Perú y su Modificatoria según el D.S. Nro. 023-2017-EM (Ver ANEXO 38).
En efecto, se busca lograr determinar el requerimiento de aire real, considerando las necesidades para el personal, el uso de madera para sostenimiento, la cantidad de equipos petroleros (HP real), la presencia de temperatura ambiental mayores de 23° C, en los principales niveles operativos, que sumado esos caudales otorgan un volumen total y a este valor se debe sumar un 15% más. De esta manera, se obtiene el caudal proyectado.
El estudio considera necesario realizar un levantamiento de ventilación de las redes a detalle, guiando la topografía proporcionada por la mina, donde se identifican los niveles de operación con presencia de personal permanentemente. Los equipos empleados son anemómetros, barómetros e higrómetros digitales, con certificados de calibración homologados, que realiza la medición de la temperatura de ambiente, bulbo húmedo (°C) y bulbo seco (°C), las velocidades del aire (m/s), las dimensiones de las labores, el ancho, alto y factor de forma (FC) en zonas regulares, el mapeo para la identificación del tipo de sostenimiento, el diámetro de los ductos de ventilación “mangas”, el levantamiento de los datos del caudal del aire (Q – m3/min), del aforo de aire, los ramales secundarios y auxiliares, y la potencia (HP) de ventiladores auxiliares, secundarios y principales, se miden los parámetros eléctricos (voltaje, amperaje), físicos, presión estática (PS), dinámica (PD), para corroborar la presión total (PT), y validar la curva característica del ventilador a la cota de operación y dicha data será suministrada al software de simulación.
Finalizado el levantamiento, se procesan los datos tomados en campo para posteriormente definir los factores de fricción “K” y choque “X”, en rampas, cruceros, chimeneas, etc., resistencias, gradiente geotérmico, caudal de aire por cada punto de monitoreo. Paralelo al trabajo de levantamiento con la ayuda del software Ventsim™ Design 5.4, se realiza el modelamiento de toda la mina, para ello se cuenta con la data de los sólidos 3D de los niveles, galerías, cruceros, rampas, chimeneas, tajeos, ubicación de comedores, polvorines, almacenes, etc. (toda la infraestructura).
Al trabajar en el software Ventsim™ y terminado el proceso de modelamiento pasamos a la caracterización de la mina con datos fiables de campo y los obtenidos en gabinete, para en primer lugar, alimentar información real, al software de simulación, los parámetros medioambientales (temperaturas, gradiente geotérmico, los factores de fricción, resistencias, formas y tipos de las “mangas” de ventilación, nivel de referencia, presión atmosférica, densidad del aire; todo ello con la finalidad de tener un modelo lo más real posible.  Por último, pasamos al momento de culmine y la más importante del proyecto en el cual se realiza la calibración del modelo a un porcentaje mayor al 90%, en el cual se calibran los caudales tanto principales (aforos, ingresos y salidas de aire), como los puntos de monitoreo tomados durante el levantamiento, asimismo los parámetros termo-ambientales y de energía.
El proceso de calibración es el producto final del trabajo, que permite tomar las decisiones más viables para poder cumplir los objetivos y poder resolver cualquier problema que se presente en la mina, mediante las simulaciones de escenarios y/o alternativas de mejora para los diferentes problemas que pueden presentar las unidades mineras
Como ejemplo práctico se desarrolló un trabajo completo para poder resolver las deficiencias que tenían por el trabajo del personal, debido al problema del calor presente en los frentes, para ello se identificó las siguientes limitantes:
a. Se observó que el número de ingresos de aire que tenían no eran suficientes para poder llegar al caudal proyectado.
b. El aire fresco que ingresaba por las rampas principales estaba expuesto a fuentes de calor durante el recorrido por los equipos Diésel, ventiladores, personas y otros, y había presencia de recirculación de aire en un 30%.
c. El diámetro de las chimeneas resultó muy reducido para poder extraer caudal mayor a 160,000 cfm, limitando la capacidad del ventilador extractor para distancias mayores de 1000 metros (encampane, y escalonado con diferentes secciones típicas), para la extracción del aire, el derrumbe de las chimeneas (debido a la calidad de la roca).
d. La temperatura del ambiente en la zona profunda bordeaba los 40° C.
Para el tema de la recirculación del aire, se identificaron los puntos críticos y se planteó soluciones inmediatas, lo cual fue la colocación de tapones herméticos, puertas, reubicación de ventiladores, que ayudó a redireccionar el aire para su extracción final; de este modo se alivió las zonas reduciendo la temperatura hasta de 3° C. Para poder cubrir el caudal proyectado a futuro y llegar la cobertura mayor a 100%, se realizaron las simulaciones de 11 escenarios y según la matriz lo óptimo fueron 3 de ellos.
Entonces el Plan de Mejora de la mina, fue planteado en tres etapas:  a corto plazo 6 meses; a mediano plazo 1 año y largo plazo 3 años. Estas etapas contemplaron la ejecución de 10 proyectos de ventilación.
Para los trabajos a un corto plazo se recomendaron adquirir 2 ventiladores de 180,000 cfm (suman 340,000 cfm) y la reubicación de 2 ventiladores ya existentes de 150,000 cfm (suman 300,000 cfm), para ser colocarlos en 2 chimeneas paralelas, y en posición enseriado (uno arriba y otro al pie de la chimenea), para permitir superar la resistencia, y garantizar la extracción de 300,000 cfm de la zona de la explotación, la simulación indicó la disminución de la temperatura de 6 a 8° C. Asimismo se simuló invertir el flujo de aire de una zona antigua de extracción de aire viciado, ahora como ingreso, con el fin de tener aire fresco para enfriar la mina y diluir los gases de manera directa y efectiva, y encauzar todo el aire viciado por un nuevo eje de salida y evitar la recirculación.
Posteriormente para el Plan de 1 año, se planteó la construcción de 2 chimeneas paralelas por raise climber (RC) de sección 2.5×2.5m, con el objetivo de tener un área equivalente mayor a una sola de diámetro de 3.10m por raise boring (RB), debido a la calidad de la roca menor de 40 RMR. Además, se recomendó la adquisición de 4 ventiladores de 150,000 cfm, los cuales deberían ser ubicados en las nuevas chimeneas planteadas para su construcción, el objetivo de este diseño fue lograr la cobertura necesaria, con caudal proyectado para 5 años, solo comunicando a superficie las dos chimeneas de ingresos independientes, y desarrollando 6 proyectos para reducir la temperatura en 6° C, a corto plazo (lográndose 26°C en promedio, en las zonas de profundización).
Para la etapa para 3 años se planteó la culminación de 2 proyectos con mayor infraestructura, que vendrían a ser la construcción de nuevos ejes, que reemplazarían a los ya existentes, de los cuales se moverían los ventiladores ya existentes (adquiridos), de esta forma se independizarían las 3 zonas de la operación llegando a una cobertura superior a 1.5 veces el caudal actual, capaz de cubrir las demandas que se sumarán, manteniendo la temperatura ambiental de 26 a 28°C, y la humedad relativa menor a 80% y mejorando la calidad del aire a los LMP que exige la norma. Para todo el proyecto se calculó un CAPEX aprobado por la empresa que se deberá invertir en 4.5 años.
Imagen 1.- Principales países con minas profundas, mayores a 1 Km.
Imagen 2.- Nomenclatura cálculo del Flujo de Calor y Gradiente Geotérmico de la roca (°C/m).
Imagen 3.- Geología Regional del batolito de Pataz, La Libertad. Fuente MINEM.
Imagen 4.- Cálculo requerimiento de aire – ANEXO 38 RSSO D.S. 024-2016-EM y modificatoria D.S. 023-2017-EM.
Imagen 5.- Determinación del diámetro óptimo para la construcción de chimeneas, en función del caudal de ingreso, potencia eléctrica, caída de presión, factor de fricción y área de equivalente.
Imagen 6.- Simulador, software Ventsim™ Design 5.4, para el diseño de la ventilación de la mina.
Imagen 7.- Requerimiento de Ventiladores Axiales para los Ejes principales de Extra
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