La ventilación en las minas carboniferas

La ventilación en las minas carboniferas

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:

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.

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.

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).

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.

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).

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.