Ventilación principal, Mina San Vicente (Bolivia)

J. Puig Consultor de Ventilación, Andalucía, España

R. Quintanilla, M. Ramírez ECCI, Potosí, Bolivia

O. Pimentel Delta Industrial, Cochabamba, Bolivia RESUMEN: La mina San Vicente está situada a 4500m sobre el nivel del mar, en la provincia Sud Chichas del Departamento de Potosí (Bolivia). Hasta el 2009 la mina se exploto únicamente mediante el método de rajo-acopio (shrinkage mining) con acarreo sobre rieles. Las labores fueron ventiladas aprovechando la presión de ventilación natural. A principios de 2009 se concluyeron las labores de acceso a una nueva zona de explotación VLR-2 (Mina Nueva): rampa de acceso principal, nivel de acarreo y ejecución de dos chimeneas Alimak. El nuevo método de explotación utilizado es el Avoca con relleno continuo, extracción mediante control remoto con equipos diesel y acarreo con camiones diesel. Actualmente, la mina San Vicente está dividida en dos sectores: La mina convencional y la Mina Nueva. La mina convencional se ventila con la presión natural del aire que se genera mediante la excavación de chimeneas que conectan a través de los distintos niveles a superficie. La ventilación en la Mina Nueva se realiza mediante la ventilación natural creada por dos chimeneas Alimak, la rampa de acceso y ventilación auxiliar forzada con manga flexible. Los métodos mineros y los equipos utilizados en uno y otro sector requieren que la mina sea también separada en dos distritos de ventilación: 1) Mina Convencional y 2) Mina Nueva. La utilización de equipos diesel en la Mina Nueva ha puesto de manifiesto la necesidad de aumentar el caudal de aire suministrado a la mina. Se ha previsto la instalación de un ventilador principal en superficie que pueda suministrar el aire requerido para disolver los gases emitidos por los equipos diesel en el distrito 2) Mina Nueva. Se ha calculado un caudal de 110m3/s (233,000 CFM). Para la obtención de la resistencia de la mina se utilizó un simulador de ventilación; y con el caudal requerido se estimaron las necesidades de la presión que necesita suministrar el ventilador principal. Así, las características del ventilador principal son: Caudal: 110 m3/s, Presión Total: 790 Pa; a una densidad de 0.75kg/m3. Las condiciones climáticas adversas (bajas temperaturas y fuertes vientos) fueron también consideradas en la instalación y orientación de la salida del ventilador. Se recomendó, debido a la localización remota de la mina, que el criterio de selección del ventilador no solo estuviera la eficiencia del y coste del ventilador sino también en la proximidad tanto del fabricante como de su servicio técnico. 1 Introducción

La mina San Vicente está situada a 4500m sobre el nivel del mar, en la provincia Sud Chichas del Departamento de Potosí (Bolívia). Hasta el 2009, para la explotación, la mina utilizo únicamente el método de rajo-acopio (shrinkage mining) con acarreo sobre rieles. Las labores se ventilan aprovechando la presión de ventilación natural. A principios de 2009 se concluyeron los trabajos de acceso a una nueva zona de explotación VLR-2 (Mina Nueva): rampa de acceso principal, nivel de acarreo y ejecución de dos chimeneas Alimak.

El nuevo método de explotación utilizado es el Avoca con relleno continuo, extracción mediante control remoto con equipos diesel y acarreo con camiones diesel. Actualmente, la mina San Vicente está dividida en dos sectores: La mina convencional y la Mina Nueva. La mina

convencional se ventila con la presión natural del aire que se genera por la longitud y ubicación de las chimeneas de ventilación que conectan las labores subterráneas de los distintos niveles con la superficie. La ventilación en la Mina Nueva es también mediante la ventilación natural creada por dos chimeneas Alimak, la rampa de acceso y ventilación auxiliar forzada con mangas flexibles.

2 Distritos de Ventilación

Los métodos mineros y los equipos utilizados en uno y otro sector requieren que la mina sea separada en dos distritos de ventilación: 1) Mina convencional y 2) Mina Nueva; actualmente, ambos ventilados de manera natural aprovechamiento la diferencia de temperaturas del aire y la diferencia de elevaciones entre las entradas y salidas. Depender de la ventilación natural tiene el inconveniente

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14th United States/North American Mine Ventilation Symposium, 2012 – Calizaya & Nelson© 2012, University of Utah, Dept. of Mining Engineering

de que el sentido y caudal de los flujos no son constantes, es decir, varían con las condiciones atmosféricas (presión y temperatura). Aunque esto puede ser tolerado en algunos sectores de la mina convencional, no es aceptable en la mina nueva, se necesita un caudal mayor al generado por la presión de ventilación natural y donde por ejemplo, pueden instalarse ventiladores auxiliares para ciertas labores y una inversión del flujo haría que en vez de suministrar aire limpio estuviéramos recirculando el aire viciado. La utilización de equipos trackless en la Mina Nueva requiere de un mayor caudal de aire suministrado a la mina. En este estudio se presenta los detalles sobre la selección e instalación de un ventilador principal en superficie que pueda suministrar el aire necesario para realizar los trabajos mineros en condiciones adecuadas. Con la instalación del ventilador principal se pretende mantener constantes tanto los caudales como los sentidos de los flujos en el distrito 2) Mina Nueva.

3 Ventilador Principal

En esta sección se discute la ubicación, determinación del caudal, cálculo de la resistencia y presión que debe suministrar el ventilador teniendo en cuenta la altura a la que está situada la Mina San Vicente. También se incluye una estimación de la potencia.

3.1 Ubicación del Ventilador

Para la ubicación del ventilador principal se ha determinado un punto que esté lo más alejado posible de las labores. De esta manera se minimiza la recirculación y se facilita que el aire limpio recorra el mayor número posible de labores antes de salir a la superficie. El punto escogido ha sido la boca de salida de la chimenea Alimak2 con la utilización de un ventilador aspirante, que conseguirá la introducción de aire fresco en mina a través de la chimenea Alimak 1 y la rampa de acceso (ver Figura 1).

Figura 1: Distrito 2) Mina Nueva; chimeneas de ventilación Alimak 1 & 2 y rampa de acceso

3.2 Caudal de Aire Requerido

La obtención del caudal necesario para ventilar uno o más distritos depende de varios criterios:

Número de trabajadores mineros. Según la legislación peruana el caudal de aire requerido por persona varía con la altura de la siguiente manera:

- Para minas situadas a una altura <1500m, 3m3/min/trabajador

- Para minas situadas a una altura >1500m a <3000m, 4m3/min/trabajador

- Para minas situadas a una altura >3000m e <4000, 5m3/min/trabajador

- Para minas situadas a una altura >4000m, 6m3/min/trabajador

Periodo de reentrada después de cada voladura (dilución de humos de voladura). Según lo establecido por la legislación sudafricana hay que aportar una cantidad mínima de aire forzado de 0.3 m3/s por cada m2 de sección del tope. Además de este requerimiento, en minas metálicas se utiliza el siguiente criterio; el aire de una labor debe ser renovado un mínimo de 8 veces para asegurar que el personal pueda volver a entrar. Normalmente, con una buena ventilación este criterio implica un periodo de espera de 30 min.

Velocidad mínima del aire. En galerías o labores similares; un criterio estándar es mantener la velocidad mínima entre 0.25 m/s y 0.5 m/s.

Cantidad de equipos diesel funcionando. Según la legislación de Ontario (Canadá) es necesario suministrar un caudal mínimo de 0.06 m3/s por kW de equipo diesel instalado (o 95ft3/min por HP). Este parámetro oscila entre 0.06m3/s/kW y 0.12m3/s/kW (125 a 250 ft3/min/HP) según el país y el tipo de mina. Por el efecto que tiene la altura en la eficiencia de los motores a diesel (mayor emisión de humos por bajas eficiencias en la combustión) se recomienda, siempre que sea posible, usar valores más cercanos a 0.12 m3/s/kW que a 0.06 m3/s/kW. La determinación del caudal a suministrar al distrito 2) Mina Nueva se ha calculado a partir de la potencia de los equipos a diesel que operan en este distrito. La potencia de los distintos equipos (palas cargadores y camiones) asciende a 1000 kW. El valor escogido para diluir los humos generados por estos es el de 0.1m3/s/kW. Por tanto el caudal requerido para la mina es: Q (m3/s) = Pot (kW) x 0.1m3/s/kW (1)

Q = 1000kW x 0.1m3/s/kW = 100 m3/s En este tipo de minas dónde existe interacción con labores antiguas se recomienda añadir un 10% al caudal para prevenir pérdidas y asegurar que el aire requerido llegue a las labores1. De esta manera el ventilador deberá suministrar un caudal de 110m3/s (233,000 CFM).

1 Recomendación sugerida por Craig Stewart deVentsim®

ALIMAK 2

ALIMAK 1

RAMPA

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3.3 Resistencia de la Mina

Para calcular la resistencia de la mina se ha utilizado el software de simulación de redes de ventilación VentsimVisual®. Se ha generado el modelo a partir de los planos de los distintos niveles facilitados por el departamento de topografía. El modelo de toda la mina puede observarse en la Figura 2.

Figura 2: Modelo Mina San Vicente: distritos 1 y 2 Para determinar la resistencia de una labor, galería o chimenea, además de las dimensiones físicas de esta (longitud, sección transversal, coeficiente k, etc.), se ha tenido en cuenta las pérdidas de carga por choque en cada intersección, curva y cambio brusco de sección según los valores establecidos por Hartman (1997) usando el método de longitud equivalente (Tabla 1). Esto es un trabajo laborioso ya que implica aplicar las pérdidas galería por galería, tramo a tramo. Para los factores de fricción en el distrito Mina Nueva se usaron los valores más actuales propuestos por MVS (ver Tabla 2). La simulación genera un reporte del que se han extraído los datos más relevantes (ver Tabla 3). Tabla 1: Pérdidas de carga (después de Hartman, 1997)

Pérdida de Carga Longitud equivalente (m)

Curva, ángulo agudo, suave 0.9 Curva, ángulo agudo, brusca 45.7 Curva, ángulo recto, suave 0.3 Curva, ángulo recto, brusca 21.3 Curva, ángulo obtuso, suave 0.2 Curva, ángulo obtuso, brusca 4.6 Puerta 21.3 Entrada 0.9 Salida 19.8 Contracción, gradual 0.3 Contracción, brusca 3.0 Expansión, gradual 0.3 Expansión, brusca 6.1 Desvío, ramal recto 9.1 Desvío, ramal a 90º 61.0 Cruce, ramal recto 18.3 Cruce, ramal a 90º 9.1 Equipo o skip (20% de la galería) 30.5 Equipo o skip (40% de la galería) 152.4

Tabla 2: Factores de fricción, k (Wallace & Prosser)

Tipo de Galería Valor medio de k (kg/m3)

Minería metálica -galería arqueada con pernos y malla puntual 0.0088 Minería metálica –rampa arqueada con pernos y malla puntual 0.0116 Chimenea Alimak rectangular –sin enmaderación con pernos y malla 0.01126

Tabla 3: Resultados generados por VentsimVisual®

Parámetros VALOR

Número de galerías en la red 5560 Longitud total (incluye los dos distritos de ventilación) 50960 m Caudal de entrada 110m3/s Caudal de salida 110m3/s Flujo de masa 82.5kg/s Resistencia de la mina 0.060066Ns2/m8

3.4 Presión Total Requerida

Para calcular la presión requerida se utiliza la siguiente ecuación: P = R·Q2 (2) Dónde:

P = presión en Pa, R = resistencia en Ns2/m8 Q = caudal en m3/s.

Por tanto, el ventilador instalado debería ser capaz de suministrar una presión de: P = 1102 * 0.06066 Ns2/m8 = 734 Pa de presión estática.

El programa VentsimVisual® permite fijar un caudal y obtener la presión necesaria para suministrarlo. La presión estática obtenida (FSP) con el programa es exactamente la misma que la calculada en el párrafo anterior (ver Figura 3). Una de las ventajas del software es que permite obtener la Presión Total (FTP) del ventilador y esto es útil porque la mayoría de fabricantes de ventiladores utilizan ésta para definir las curvas de sus ventiladores. La presión total (PT) incluye la presión dinámica (PD) y por eso es mayor que la presión estática (PS); la presión total es calculada usando la siguiente ecuación:

PT = PS + PD (3)

La presión total obtenida para suministrar 110m3/s con el simulador VentsimVisual® fue de 790Pa. De este modo, el ventilador requerido para operar a 4460m de altura (boca de la chimenea Alimak 2 en superficie) tendrá las siguientes características:

- Presión Total: 790Pa a una densidad de 0.75kg/m3

- Caudal: 110m3/s (233,000 CFM) a una densidad de 0.75kg/m3.

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Figura 3: Presión Estática y Total requerida para suministrar 110m3/s

3.5 Potencia

La potencia de un ventilador viene determinada por la siguiente expresión:

Pt = P·Q/η/1000 (4)

Dónde, Pt es la potencia en kW, P la presión en Pa, Q el caudal en m3/s y η la eficiencia del motor en %. De esta ecuación se obtiene que la potencia a suministrar por el motor del ventilador con una eficiencia del 75% (habitual en las curvas de los ventiladores) y a la densidad del aire en San Vicente (0.75 kg/m3) es de:

Pt = P·Q/ η/1000= 790·110/0.75/1000 = 116kW (155HP)

Utilizando los tamaños estándar de motores en este rango el tamaño ideal sería el de 131kW (275hp). Este es un valor orientativo en la selección del motor. Cada fabricante lo ajusta en función de las características de su ventilador y de la instalación. El incremento de presión estimado según el fabricante escogido fue de 380 Pa. Varios fabricantes corroboraron incrementos de presión similares con el mismo tipo de instalación. El incremento de presión corresponde a varios elementos:

1. Codo 90º 2. Transición de codo cuadrado (chimenea Alimak

3x3m) a redondo para su acople al ventilador. 3. Difusor.

En motores tipo IEC se aplica un 10% de margen de seguridad a la potencia calculada. La potencia mínima a instalar con una eficiencia del ventilador indicada por el proveedor del 78% (ηv) fue: Ptmín (kW) = Q (m3/s) x P (Pa)/(1000 x η v) x 1.1 (5)

Por tanto,

Pt min = 110m3/s x (790+380)Pa /(1000 x 0.78) 1.1 = 182kW (244hp)

Para el caso de San Vicente el ventilador escogido fue de 186 kW (250 hp).

1.6 Orientación del Ventilador

El ventilador podía instalarse de dos maneras: horizontal o vertical. Una instalación vertical tiene una ventaja, permite reducir de las pérdidas de carga por choque y reducir el consumo de energía. No obstante, no se instaló verticalmente debido a 2 motivos: 1) se necesitaba una excelente calidad de la cimentación ya que el ventilador instalado verticalmente requiere de cuatro apoyos firmes y 2) la sujeción del codo de salida es crucial por los fuertes vientos que acechan la zona. La calidad del fraguado en la época de instalación del ventilador era bastante dudosa ya que se debía calentar el agua para hacer la mezcla con el cemento debido a las bajas temperaturas y las fuertes rachas de viento en la zona de hasta 100km/h desestimaron esta opción. La decisión final fue la de un ventilador horizontal alineado con la dirección predominante del viento (Figura 4).

Figura 4: Instalación horizontal del ventilador

1.7 Obra Civil y Montaje

Se recalca este aspecto ya que se tuvieron que realizar varios trabajos de adecuación de la parte superior de la chimenea (Figura 5) para la instalación del ventilador. Principalmente el descalce de la parte superior de la chimenea (Figura 6).

Figura 5: Salida chimenea Alimak2 de 3x3m antes de empezar los trabajos

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Figura 6: Descalce de la parte superior de la chimenea Alimak2. Las Figura 7 y 8 reflejan la instalación propuesta en la Figura 4: instalación horizontal del ventilador en la dirección predominante del viento. Nótese que se ha minimizado al máximo la exposición de la estructura respecto a la rasante.

Figura 7: Codo de salida a ventilador

Figura 8: Instalación completa

1.8 Costo del Ventilador

A menudo los costos de la adquisición ocultan el costo real de un ventilador principal. Un ventilador principal funciona las 24 horas del día los 7 días de la semana, los 365 días del año y tiene una vida útil de unos 10 años. El costo del consumo de energía del ventilador es casi siempre mayor que el precio de la compra de este –a menudo mucho mayor. En Bolivia el precio por kilovatio hora industrial es de aproximadamente 0.064 US$/kWh. Esto significa que para un ventilador como el propuesto en el apartado anterior el coste anual será de:

C = 0.064US$/kW/h·186kW·24h·365días = 104,279 US (6)

El mejor ventilador debe ser aquél que sea capaz de suministrar el caudal requerido a la presión requerida al menor costo. Además, por la localización remota de San Vicente, es importante tener en cuenta la proximidad del servicio técnico y disponibilidad de recambios. Por estos motivos se eligió un proveedor que aparte de ser competitivo y ofrecer un producto de calidad estuviera establecido en Bolivia.

4 Conclusiones

- Para poder dar solución a las necesidades de ventilación, la mina se dividió en dos distritos: Mina Convencional y Mina Nueva.

- El ventilador principal se instalo en el punto más alejado posible (chimenea Alimak 2) de la entrada a la mina. Usando un sistema aspirante, el ventilador permite inyectar el aire fresco por el pozo de ventilación Alimak 1 y la rampa de acceso a mina.

- El criterio utilizado para la determinación de la cantidad de aire requerido en la mina es el caudal mínimo por potencia instalada de los equipos a diesel utilizados en un distrito. El valor usado con este fin es de 0.1m3/s/kW.

- La resistencia de la mina se determino usando un simulador de ventilación: VentsimVisual. Con este programa, la resistencia de cada tramo de galería o chimenea es calculada en función de la geometría de esta, un factor de fricción y pérdidas de presión por choque.

- La presión total a suministrar al circuito por el ventilador se estimo a partir de la resistencia de la mina y el caudal requerido. El valor obtenido fue corregido para incluir las pérdidas de energía por choque y cambios de dirección del aire. Con estos cambios, la presión total del ventilador aumento de 790 Pa a 1170Pa.

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- Los factores climatológicos (velocidad del viento y bajas temperaturas) fueron considerados en la selección del tipo y orientación del ventilador. En base de estos factores, se decidió instalar el ventilador en posición horizontal y alineada con la dirección predominante del viento.

- El sistema de ventilación principal de una mina generalmente opera las 24h del día los 365 días del año. Por esta razón, la selección de un ventilador primario no solo debe estar basada solo en el precio del equipo sino en el costo total incluyendo el costo por consumo de energía eléctrica. Además, para minas como San Vicente, aislado de centros urbanos, un servicio técnico confiable debe tener un peso importante en la elección del proveedor.

- La visión a largo plazo debe estar presente en cualquier instalación de un sistema de ventilación principal y los criterios utilizados en su diseño deben ser analizados al detalle.

5 Referencias

Le Roux, W. L. (1990). Le Roux's Notes on Mine Environmental Control. Somerset West: Mine Ventilation Society of South Africa.

Burrows, C. (1989). Environmental Engineering in South African Mines. Johannesburg: The Mine Ventilation Society of South Africa.

Hartman, H. L. (1997). Mine Ventilation and Air Conditioning. John Wiley & Sons.

McPherson, M. J. (1993). Subsurface Ventilation and Environmental Engineering. London: Chapman & Hall.

Wallace, K. G., & Prosser, B. S. Practical values of Friction Factors. Fresno: Mine Ventilation Services.

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