El principal objetivo de la ventilación de una mina es la provisión de cantidades suficientes de aire a todos los lugares de trabajo y caminos de circulación en una mina subterránea para diluir a un nivel aceptable aquellos contaminantes que no pueden ser controlados por ningún otro medio. Cuando las temperaturas de la profundidad y de la roca sean tales que la temperatura del aire sea excesiva, se pueden usar sistemas de refrigeración mecánica para complementar los efectos beneficiosos de la ventilación.

La atmósfera de la mina

La composición de la envoltura gaseosa que rodea la tierra varía menos del 0.01 % de un lugar a otro y la constitución del aire “seco” suele tomarse como 78.09 % de nitrógeno, 20.95 % de oxígeno, 0.93 % de argón y 0.03 % de dióxido de carbono. El vapor de agua también está presente en cantidades variables según la temperatura y la presión del aire y la disponibilidad de superficies de agua libres. A medida que el aire de ventilación fluye a través de una mina, la concentración de vapor de agua puede cambiar significativamente y esta variación es objeto de un estudio separado de psicrometría. Para definir el estado de una mezcla de vapor de agua y aire seco en un punto particular, se requieren las tres propiedades independientes medibles de presión barométrica, temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo.

Requerimientos de ventilación

Los contaminantes que deben controlarse mediante ventilación por dilución son principalmente gases y polvo, aunque las radiaciones ionizantes asociadas con el radón natural pueden presentar problemas, especialmente en las minas de uranio y donde las concentraciones de uranio de fondo de las rocas anfitrionas o adyacentes son elevadas. La cantidad de aire necesaria para el control de la dilución dependerá tanto de la fuerza de la fuente contaminante como de la eficacia de otras medidas de control, como el agua para la supresión de polvo o los sistemas de drenaje de metano en las minas de carbón. La tasa de flujo de aire de dilución mínima está determinada por el contaminante que requiere la mayor cantidad de dilución con el debido conocimiento de los posibles efectos aditivos de las mezclas y la sinergia donde un contaminante puede aumentar el efecto de otro. Anular este valor podría ser un requisito mínimo de velocidad del aire que normalmente es de 0.25 m/s y que aumenta a medida que aumenta la temperatura del aire.

Ventilación de equipos con motor diesel

En las minas mecanizadas que utilizan equipos móviles a diésel y en ausencia de monitoreo continuo de gases, la dilución de gases de escape se utiliza para determinar los requisitos mínimos de aire de ventilación donde operan. La cantidad de aire requerida normalmente oscila entre 0.03 y 0.06 m³/s por kW de potencia nominal en el punto de operación dependiendo del tipo de motor y si se está utilizando algún acondicionamiento de gases de escape. Los desarrollos continuos en tecnología de motores y combustibles están reduciendo las emisiones de los motores, mientras que los convertidores catalíticos, los depuradores húmedos y los filtros cerámicos pueden reducir aún más las concentraciones salientes de monóxido de carbono/aldehídos, óxidos de nitrógeno y partículas diésel, respectivamente. Esto ayuda a cumplir con los límites de contaminantes cada vez más estrictos sin aumentar significativamente las tasas de dilución de los gases de escape. El límite de dilución mínimo posible de 0.02 m³/s por kW está determinado por las emisiones de dióxido de carbono que son proporcionales a la potencia del motor y no se ven afectadas por el acondicionamiento de los gases de escape.

Los motores diésel son aproximadamente un tercio eficientes en la conversión de la energía disponible en el combustible en potencia útil y la mayor parte de esto se utiliza para superar la fricción, lo que da como resultado una salida de calor que es aproximadamente tres veces la salida de potencia. Incluso cuando se transporta roca en un declive en un camión, el trabajo útil realizado es solo alrededor del 10% de la energía disponible en el combustible. Los motores diesel de mayor potencia se utilizan en equipos móviles más grandes que requieren excavaciones más grandes para operar de manera segura. Teniendo en cuenta los espacios libres normales del vehículo y una tasa típica de dilución de gases de escape diesel de
0.04 m³/s por kW, las velocidades mínimas del aire donde operan los motores diésel promedian alrededor de 0.5 m/s.

Ventilación de diferentes métodos de minería

Si bien el establecimiento de requisitos generales de cantidad de aire no es apropiado cuando se dispone de información detallada sobre la planificación de la ventilación y la mina, o si es posible, respaldan los criterios que se utilizan para el diseño. Las desviaciones de los valores normales generalmente pueden explicarse y justificarse, por ejemplo, en minas con problemas de calor o radón. La relación general es:

cantidad de mina = αt + β

donde t es la tasa de producción anual en millones de toneladas por año (Mtpa), α es un factor de cantidad de aire variable que está directamente relacionado con la tasa de producción y β es la cantidad de aire constante requerida para ventilar la infraestructura de la mina, como el sistema de manejo de minerales. Los valores típicos de α se dan en la tabla 1.

Tabla 1. Factores de cantidad de aire de diseño

La cantidad constante de aire β depende principalmente del sistema de manejo del mineral y, hasta cierto punto, de la tasa de producción total de la mina. Para minas donde la roca se transporta a través de un declive utilizando camiones de acarreo con motor diesel o no hay trituración de la roca extraída, un valor adecuado de β es 50 m³/s. Esto típicamente aumenta a 100 m³/s cuando se utilizan trituradoras subterráneas y elevadores de contenedores con áreas de mantenimiento subterráneas. A medida que el sistema de manejo de minerales se vuelve más extenso (es decir, utilizando transportadores u otros sistemas de transferencia de minerales), β puede aumentar aún más hasta en un 50 %. En minas muy grandes donde se utilizan sistemas de pozos múltiples, la cantidad de aire constante β también es un múltiplo del número de sistemas de pozos requeridos.

Requisitos de enfriamiento

Condiciones térmicas de diseño

La provisión de condiciones térmicas adecuadas para minimizar los peligros y los efectos adversos del estrés por calor puede requerir refrigeración mecánica además de la ventilación necesaria para controlar los contaminantes. Aunque el estrés por calor aplicado es una función compleja de las variables climáticas y las respuestas fisiológicas a ellas, en términos prácticos de minería, la velocidad del aire y la temperatura de bulbo húmedo son las que tienen la mayor influencia. Esto se ilustra mediante las potencias de enfriamiento del aire corregidas por la ropa (W/m²) dada en la tabla 2. Bajo tierra, la temperatura radiante se considera igual a la temperatura de bulbo seco y 10 °C más alta que la temperatura de bulbo húmedo. La presión barométrica y el régimen de ropa son típicos para trabajos subterráneos (es decir, 110 kPa y 0.52 unidades de ropa).

Tabla 2. Potencias de enfriamiento del aire corregidas por ropa (W/m²)

Una velocidad del aire de 0.1 m/s refleja el efecto de la convección natural (es decir, ningún flujo de aire perceptible). Una velocidad del aire de 0.25 m/s es el mínimo normalmente permitido en la minería y se requeriría 0.5 m/s cuando la temperatura de bulbo húmedo supere los 25 °C. Con respecto a lograr el equilibrio térmico, el calor metabólico resultante de las tasas de trabajo típicas son: reposo, 50 W/m²; trabajo ligero, 115 a 125 W/m², trabajo medio, 150 a 175 W/m²; y trabajo duro, 200 a 300 W/m². Las condiciones de diseño para una aplicación minera específica se determinarían a partir de un estudio de optimización detallado. En general, las temperaturas óptimas de bulbo húmedo se encuentran entre 27.5 °C y 28.5 °C y las temperaturas más bajas se aplican a operaciones menos mecanizadas. El rendimiento laboral disminuye y el riesgo de enfermedades relacionadas con el calor aumenta significativamente cuando la temperatura de bulbo húmedo supera los 30.0 °C, y el trabajo normalmente no debe continuar cuando la temperatura de bulbo húmedo supera los 32.5 °C.

Cargas de calor de la mina

La carga de refrigeración de la mina es la carga de calor de la mina menos la capacidad de enfriamiento del aire de ventilación. La carga de calor de la mina incluye los efectos de la autocompresión del aire en las vías de admisión (la conversión de energía potencial en entalpía a medida que el aire fluye hacia la mina), el flujo de calor hacia la mina desde la roca circundante, el calor extraído de la rocas rotas o cualquier agua de fisura antes de que sean removidas de las tomas o secciones de trabajo de la mina, y el calor resultante de la operación de cualquier equipo usado en los procesos de transporte y trituración del mineral. La capacidad de refrigeración del aire de ventilación depende tanto de las condiciones ambientales térmicas de diseño en los lugares de trabajo como de las condiciones climáticas reales en la superficie.

Aunque las contribuciones relativas de cada fuente de calor al total son específicas del sitio, la autocompresión suele ser el principal contribuyente entre el 35 y el 50% del total. A medida que aumenta la profundidad de la minería, la autocompresión puede hacer que la capacidad de enfriamiento del aire se vuelva negativa y el efecto de suministrar más aire es aumentar la carga de refrigeración de la mina. En este caso, la cantidad de ventilación suministrada debe ser la mínima compatible con el cumplimiento del control de contaminantes y se requieren mayores cantidades de refrigeración para proporcionar condiciones de trabajo productivas y seguras. La profundidad de la minería a la que se hace necesaria la refrigeración dependerá principalmente de las condiciones climáticas de la superficie, la distancia que viaja el aire a través de las vías de entrada antes de usarse y la medida en que se usa equipo grande (diésel o eléctrico).

Sistemas de ventilación primaria

Redes

Los sistemas o redes de ventilación primaria se ocupan de asegurar el flujo de aire a través de las aberturas de las minas interconectadas. La red de ventilación general tiene cruces donde se encuentran tres o más conductos de aire, ramales que son conductos de aire entre uniones y mallas que son caminos cerrados atravesados ​​a través de la red. Aunque la mayoría de las redes de ventilación de la mina están ramificadas con cientos o incluso miles de ramas, el número de conductos de aire de entrada principal (rama entre la superficie y el trabajo de la mina) y retorno o escape (rama entre el trabajo y la superficie) generalmente se limita a menos de diez.

Con un gran número de ramales en una red, determinar un patrón de flujo y establecer la pérdida de presión general no es sencillo. Aunque muchas están en disposición simple en serie o en paralelo que pueden resolverse algebraicamente y con precisión, habrá algunas secciones compuestas que requerirán métodos iterativos con convergencia a una tolerancia aceptable. Las computadoras analógicas se han utilizado con éxito para el análisis de redes; sin embargo, estos han sido reemplazados por métodos digitales que consumen menos tiempo y se basan en la técnica de aproximación de Hardy Cross desarrollada para resolver redes de flujo de agua.

Resistencia de las vías respiratorias y pérdidas por choque

La resistencia al flujo de aire de una boca de túnel o mina es una función de su tamaño y rugosidad de la superficie y la pérdida de presión resultante depende de esta resistencia y el cuadrado de la velocidad del aire. Al agregar energía al sistema, se puede generar una presión que luego supera la pérdida de presión. Esto puede ocurrir naturalmente donde la energía es proporcionada por el calor de la roca y otras fuentes (ventilación natural). Aunque este solía ser el método principal para proporcionar ventilación, solo se convierte del 2 al 3% de la energía y, durante los veranos calurosos, la roca puede enfriar el aire de entrada y provocar inversiones de flujo. En las minas modernas, normalmente se usa un ventilador para proporcionar energía a la corriente de aire que luego supera la pérdida de presión, aunque los efectos de la ventilación natural pueden ayudarla o retardarla según la época del año.

Cuando el aire fluye sobre una superficie, las moléculas de aire inmediatamente próximas a la superficie se paran y las adyacentes se deslizan sobre las que están en reposo con una resistencia que depende de la viscosidad del aire. Se forma un gradiente de velocidad donde la velocidad aumenta al aumentar la distancia desde la superficie. La capa límite creada como resultado de este fenómeno y la subcapa laminar también formada a medida que se desarrolla la capa límite tienen un efecto profundo en la energía requerida para promover el flujo. En general, la rugosidad de la superficie de las vías respiratorias de la mina es lo suficientemente grande como para que las "protuberancias" se extiendan a través de la subcapa límite. El conducto de aire es hidráulicamente irregular y la resistencia es una función de la rugosidad relativa, es decir, la relación entre la altura de la rugosidad y el diámetro del conducto de aire.

La mayoría de los conductos de aire extraídos mediante técnicas convencionales de perforación y voladura tienen alturas de rugosidad entre 100 y 200 mm e incluso en terrenos muy "bloqueados", la altura de rugosidad promedio no excedería los 300 mm. Cuando los conductos de aire se conducen con máquinas perforadoras, la altura de la rugosidad está entre 5 y 10 mm y todavía se considera hidráulicamente rugosa. La aspereza de las vías respiratorias se puede reducir recubriéndolas, aunque la justificación suele ser el apoyo del suelo en lugar de una reducción de la potencia necesaria para hacer circular el aire de ventilación. Por ejemplo, un gran pozo revestido de concreto con una rugosidad de 1 mm sería transitoriamente rugoso y el número de Reynolds, que es la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas, también afectaría la resistencia al flujo de aire.

En la práctica, las dificultades para revestir con hormigón liso un pozo tan grande desde arriba hacia abajo a medida que se hunden dan como resultado un aumento de la rugosidad y resistencias de aproximadamente un 50% más que los valores lisos.

Con un número limitado de conductos de aire de entrada y retorno entre el trabajo y la superficie, una gran proporción (70 a 90%) de la pérdida total de presión de la mina ocurre en ellos. Las pérdidas de presión en las vías respiratorias también dependen de si hay discontinuidades que provoquen pérdidas por choque, como curvas, contracciones, expansiones o cualquier obstrucción en las vías respiratorias. Las pérdidas resultantes de estas discontinuidades, como las curvas de entrada y salida de los conductos de aire, cuando se expresan en términos de las pérdidas que se producirían en una longitud equivalente de conducto de aire recto, pueden ser una proporción significativa del total y deben evaluarse cuidadosamente, en particular al considerar las entradas y salidas principales. Las pérdidas en las discontinuidades dependen de la cantidad de separación de la capa límite; esto se minimiza evitando cambios repentinos en el área.

Resistencia de las vías aéreas con obstrucciones

El efecto de una obstrucción sobre las pérdidas de presión depende de su coeficiente de arrastre y el coeficiente de llenado, que es la relación entre el área de bloqueo del objeto y el área de la sección transversal de la vía aérea. Las pérdidas causadas por las obstrucciones se pueden reducir minimizando la separación de la capa límite y la extensión de cualquier estela turbulenta mediante la racionalización del objeto. Los coeficientes de arrastre se ven afectados por su forma y disposición en el eje; los valores comparativos serían: rayo, 2.7; cuadrado, 2.0; cilindro, 1.2; hexágono alargado, 0.6; y completamente simplificado, 0.4.

Incluso con coeficientes de llenado pequeños y coeficientes de arrastre bajos, si la obstrucción se repite regularmente, como cuando las vigas separan los compartimentos de elevación en un eje, el efecto acumulativo sobre las pérdidas de presión es significativo. Por ejemplo, la resistencia de un fuste equipado con vigas hexagonales alargadas semiestilizadas y un coeficiente de relleno de 0.08 sería aproximadamente cuatro veces mayor que la del fuste revestido de hormigón solo. Aunque los costos de material de las secciones de acero estructural huecas rectangulares más fácilmente disponibles son más que las vigas en I, los coeficientes de arrastre son de aproximadamente un tercio y justifican fácilmente su aplicación.

Ventiladores principales y de refuerzo

Tanto los ventiladores axiales como los centrífugos se utilizan para proporcionar circulación de aire en los sistemas de ventilación de la mina, y se pueden lograr eficiencias de ventilador de más del 80%. La selección entre flujo axial o centrífugo para los ventiladores principales de la mina depende del costo, el tamaño, la presión, la robustez, la eficiencia y cualquier variación de rendimiento. En las minas donde la falla de un ventilador puede provocar acumulaciones peligrosas de metano, se instala una capacidad de ventilador adicional para garantizar la continuidad de la ventilación. Donde esto no es tan crítico y con una instalación de dos ventiladores, aproximadamente dos tercios del flujo de aire de la mina continuarán si un ventilador se detiene. Los ventiladores de flujo axial vertical instalados sobre las vías de aire tienen un bajo costo pero están limitados a unos 300 m³/s. Para cantidades de aire más grandes, se requieren varios ventiladores y se conectan al escape con conductos y un codo.

Para obtener las mayores eficiencias a un costo razonable, se utilizan ventiladores de flujo axial para aplicaciones de baja presión (menos de 1.0 kPa) y ventiladores centrífugos para sistemas de alta presión (más de 3.0 kPa). Cualquiera de las selecciones es adecuada para las presiones intermedias. Cuando se requiere robustez, como con escapes con velocidades de aire por encima del rango crítico, y las gotas de agua se transportan hacia arriba y hacia afuera del sistema, un ventilador centrífugo brindará una selección más confiable. El rango crítico de velocidad del aire está entre 7.5 m/s y 12.5 m/s, donde las gotas de agua pueden permanecer en suspensión dependiendo de su tamaño. Dentro de este rango, la cantidad de agua suspendida puede acumularse y aumentar la presión del sistema hasta que el ventilador se detenga. Esta es la región donde parte del aire recircula alrededor de las aspas y el funcionamiento del ventilador se vuelve inestable. Aunque no es deseable para ningún tipo de ventilador, la posibilidad de que falle un aspa del ventilador centrífugo es significativamente menor que una falla del aspa axial en esta región de fluctuación de flujo.

Es raro que se requiera un ventilador principal para operar en el mismo punto de trabajo durante la vida útil de la mina, y son deseables métodos efectivos para variar el rendimiento del ventilador. Aunque la velocidad variable da como resultado la operación más eficiente tanto para ventiladores axiales como centrífugos, los costos, particularmente para ventiladores grandes, son altos. El rendimiento de un ventilador de flujo axial se puede variar ajustando el ángulo de las aspas y esto se puede llevar a cabo cuando el ventilador está parado o, a un costo significativamente mayor, cuando está girando. Al impartir un remolino al aire que ingresa a un ventilador usando paletas de entrada variables, se puede variar el rendimiento de un ventilador centrífugo mientras está funcionando.

La eficiencia del ventilador centrífugo lejos de su punto de diseño cae más rápidamente que la de un ventilador de flujo axial y, si se requiere un alto rendimiento en una amplia gama de puntos de operación y las presiones son adecuadas, se selecciona el ventilador de flujo axial.

Sistema de ventilación

La posición del ventilador principal en el sistema general es normalmente en la superficie en la vía de aire de escape. Las principales razones de esto son la simplicidad donde la entrada es a menudo un eje de elevación y el escape es una vía de aire separada de un solo propósito y la minimización de la carga de calor al excluir los ventiladores de las vías de entrada. Los ventiladores se pueden instalar en los ejes de elevación, ya sea en modo forzado o de extracción, proporcionando un marco superior sellado. Sin embargo, donde los trabajadores, los materiales o las rocas también ingresan o salen del eje, existe la posibilidad de fugas de aire.

Los sistemas push-pull en los que se instalan ventiladores de entrada y salida se utilizan para reducir la presión máxima en el sistema compartiendo o para proporcionar una diferencia de presión muy pequeña entre el trabajo y la superficie. Esto es pertinente en minas que usan métodos de hundimiento donde la fuga a través del área hundida puede ser indeseable. Con grandes diferencias de presión, aunque la fuga de aire a través de una zona hundida normalmente es pequeña, puede introducir problemas de calor, radiación u oxidación en los lugares de trabajo.

Los ventiladores de refuerzo subterráneos, debido a las limitaciones de espacio, casi siempre son de flujo axial y se utilizan para impulsar el flujo en las secciones más profundas o más distantes de una mina. Su principal inconveniente es la posibilidad de recirculación entre el escape del ventilador de refuerzo y las vías de aire de admisión. Al proporcionar solo un impulso a los flujos de aire más pequeños donde se requieren, pueden resultar en una presión más baja del ventilador principal para el flujo de aire completo de la mina y una reducción consiguiente en la potencia total del ventilador requerida.

Ventilación Secundaria

Sistemas auxiliares

Se requieren sistemas de ventilación secundarios donde la ventilación a través no es posible, como en los encabezados de desarrollo. Son posibles cuatro disposiciones, cada una con sus propias ventajas y desventajas.

El sistema de forzamiento da como resultado que el aire más fresco y fresco llegue a la cara y permite el uso de conductos flexibles más económicos. La alta velocidad del aire que sale del extremo del conducto de suministro crea un chorro que arrastra aire adicional y ayuda a barrer la cara de los contaminantes y proporciona una velocidad de cara aceptable. Su principal inconveniente es que el resto del frente está ventilado con aire contaminado con los gases y polvos producidos por las operaciones mineras en el frente. Esto es particularmente un problema después de las voladuras, donde aumentan los tiempos seguros de reingreso.

An sistema de escape permite eliminar todos los contaminantes del frente y mantiene el resto del frente en el aire de admisión. Los inconvenientes son que el flujo de calor de la roca circundante y la evaporación de la humedad darán como resultado temperaturas más altas del aire de entrega frontal; las operaciones en la parte posterior del frente, como la remoción de rocas con equipos que funcionan con diesel, contaminarán el aire de admisión; no se produce chorro de aire para barrer la cara; y se requiere un conducto más costoso que sea capaz de soportar una presión negativa.

En una sistema de superposición de escape el problema de limpiar la cara con un chorro de aire se soluciona instalando un ventilador y un conducto más pequeños (la superposición). Además del costo adicional, una desventaja es que la superposición debe avanzarse con la cara.

En un sistema de marcha atrás, se utiliza el modo de ventilación forzada, excepto durante la voladura y el período de reingreso después de la voladura, cuando se invierte el flujo de aire. Su aplicación principal es en el hundimiento de pozos, donde los tiempos de reingreso para pozos profundos pueden ser prohibitivos si se usa un sistema de fuerza solamente. La inversión de aire se puede obtener utilizando amortiguadores en la entrada y salida del ventilador o aprovechando una característica de los ventiladores de flujo axial, donde cambiar la dirección de rotación de las aspas da como resultado una inversión de flujo con aproximadamente el 60% del flujo normal siendo entregado.

ventiladores y conductos

Los ventiladores utilizados para la ventilación secundaria son casi exclusivamente de flujo axial. Para lograr las altas presiones necesarias para hacer que el aire fluya a través de tramos largos de conductos, se pueden utilizar múltiples ventiladores con arreglos de impulsores contrarrotativos o co-rotativos. Las fugas de aire son el mayor problema en los sistemas de conductos y ventiladores auxiliares, particularmente en largas distancias. Los conductos rígidos fabricados con acero galvanizado o fibra de vidrio, cuando se instalan con empaques, tienen fugas adecuadamente bajas y se pueden usar para desarrollar conductos de hasta varios kilómetros de longitud.

Los conductos flexibles son considerablemente más baratos de comprar y más fáciles de instalar; sin embargo, las fugas en los acoplamientos y la facilidad con la que se rompen por contacto con equipos móviles dan como resultado pérdidas de aire mucho mayores. Los límites prácticos de desarrollo que utilizan conductos flexibles rara vez superan 1.0 km, aunque se pueden ampliar utilizando longitudes de conductos más largas y asegurando amplios espacios libres entre el conducto y el equipo móvil.

Controles de ventilación

Los sistemas de conductos y ventiladores auxiliares y de ventilación pasante se utilizan para proporcionar aire de ventilación a los lugares donde puede trabajar el personal. Los controles de ventilación se utilizan para dirigir el aire al lugar de trabajo y para minimizar los cortocircuitos o la pérdida de aire entre las vías de aire de entrada y salida.

Se utiliza un mamparo para detener el flujo de aire a través de un túnel de conexión. Los materiales de construcción dependerán de la diferencia de presión y de si estará sujeto a las ondas de choque de las voladuras. Las cortinas flexibles adheridas a las superficies rocosas circundantes son adecuadas para aplicaciones de baja presión, como la separación de las vías de aire de entrada y retorno en un panel de habitación y pilar extraído con un minero continuo. Los mamparos de madera y hormigón son adecuados para aplicaciones de mayor presión y pueden incorporar una aleta de goma pesada que se puede abrir para minimizar cualquier daño por explosión.

Se necesita una puerta de ventilación donde se requiere el paso de peatones o vehículos. Los materiales de construcción, el mecanismo de apertura y el grado de automatización están influenciados por la diferencia de presión y la frecuencia de apertura y cierre. Para aplicaciones de alta presión, se pueden instalar dos o incluso tres puertas para crear bolsas de aire y reducir las fugas y la pérdida de aire de admisión. Para ayudar a abrir las puertas de las esclusas de aire, normalmente contienen una pequeña sección deslizante que se abre primero para permitir la igualación de la presión en ambos lados de la puerta que se va a abrir.

Se utiliza un regulador cuando la cantidad de aire que fluye a través de un túnel debe reducirse en lugar de detenerse por completo y también cuando no se requiere acceso. El regulador es un orificio variable y al cambiar el área, también se puede cambiar la cantidad de aire que fluye a través de él. Una tabla de caída es uno de los tipos más simples en los que un marco de hormigón soporta canales en los que se pueden colocar (dejar caer) tablas de madera y variar el área abierta. Otros tipos, como las persianas de mariposa, se pueden automatizar y controlar de forma remota. En los niveles superiores de algunos sistemas de parada abiertos, es posible que se requiera un acceso poco frecuente a través de los reguladores y los paneles flexibles y rígidos horizontalmente se pueden simplemente subir o bajar para proporcionar acceso y minimizar el daño por explosión. Incluso se han utilizado montones de roca rota para aumentar la resistencia en tramos de un nivel donde temporalmente no hay actividad minera.

Sistemas de Refrigeración y Refrigeración

El primer sistema de refrigeración de una mina se instaló en Morro Velho, Brasil, en 1919. Desde esa fecha, el crecimiento de la capacidad mundial ha sido lineal en alrededor de 3 megavatios de refrigeración (MWR) por año hasta 1965, cuando la capacidad total alcanzó alrededor de 100 MWR. . Desde 1965 el crecimiento de la capacidad ha sido exponencial, duplicándose cada seis o siete años. El desarrollo de la refrigeración minera se ha visto influenciado tanto por la industria del aire acondicionado como por las dificultades de lidiar con un sistema minero dinámico en el que el ensuciamiento de las superficies del intercambiador de calor puede tener efectos profundos en la cantidad de enfriamiento proporcionado.

Inicialmente, las plantas de refrigeración se instalaron en superficie y se enfrió el aire de entrada a la mina. A medida que aumentaba la distancia subterránea desde la planta de superficie, se reducía el efecto de enfriamiento y las plantas de refrigeración se movían bajo tierra más cerca del trabajo.

Las limitaciones en la capacidad de rechazo de calor subterráneo y la simplicidad de las plantas de superficie han resultado en un regreso a la ubicación en la superficie. Sin embargo, además de enfriar el aire de entrada, ahora también se suministra agua fría bajo tierra. Esto se puede usar en dispositivos de enfriamiento de aire adyacentes a las áreas de trabajo o como agua de servicio utilizada en taladros y para supresión de polvo.

Equipos de plantas de refrigeración

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se utilizan exclusivamente para las minas, y el elemento central de la planta de superficie es el compresor. Las capacidades de las plantas individuales pueden variar entre 5 MWR y más de 100 MWR y, por lo general, requieren sistemas de compresores múltiples que tienen un diseño centrífugo o de tornillo de desplazamiento positivo. El amoníaco es normalmente el refrigerante seleccionado para una planta de superficie y un halocarbono adecuado se usa bajo tierra.

El calor requerido para condensar el refrigerante después de la compresión se expulsa a la atmósfera y, para minimizar la energía requerida para proporcionar enfriamiento a la mina, se mantiene lo más bajo posible. La temperatura de bulbo húmedo siempre es menor o igual que la temperatura de bulbo seco y, en consecuencia, se seleccionan invariablemente los sistemas de rechazo de calor húmedo. El refrigerante se puede condensar en un intercambiador de calor de carcasa y tubos o de placas y marcos utilizando agua y el calor extraído y luego expulsado a la atmósfera en una torre de enfriamiento. Alternativamente, los dos procesos se pueden combinar usando un condensador evaporativo donde el refrigerante circula en tubos sobre los cuales se extrae aire y se rocía agua. Si la planta de refrigeración se instala bajo tierra, el aire de escape de la mina se usa para disipar el calor, a menos que el agua del condensador se bombee a la superficie. La operación de la planta subterránea está limitada por la cantidad de aire disponible y las temperaturas de bulbo húmedo subterráneas más altas en relación con las de la superficie.

Después de pasar el refrigerante condensado a través de una válvula de expansión, la evaporación de la mezcla de líquido y gas a baja temperatura se completa en otro intercambiador de calor que enfría y proporciona el agua helada. A su vez, este se utiliza tanto para enfriar el aire de entrada como para suministrar agua fría de servicio a la mina. El contacto entre el agua, el aire de ventilación y la mina reduce la calidad del agua y aumenta el ensuciamiento del intercambiador de calor. Esto aumenta la resistencia al flujo de calor. Siempre que sea posible, este efecto se minimiza seleccionando equipos que tengan grandes áreas de superficie del lado del agua que sean fáciles de limpiar. En la superficie y bajo tierra, se utilizan cámaras de aspersión y torres de enfriamiento para proporcionar un intercambio de calor de contacto directo más efectivo entre el aire que se enfría y el agua enfriada. Los serpentines de enfriamiento que separan las corrientes de aire y agua se obstruyen con partículas de polvo y diésel y su eficacia disminuye rápidamente.

Los sistemas de recuperación de energía se pueden usar para compensar los costos de bombear el agua hacia afuera de la mina y las ruedas Pelton se adaptan bien a esta aplicación. El uso de agua fría como agua de servicio ha ayudado a asegurar que el enfriamiento esté disponible dondequiera que haya actividad minera; su uso ha mejorado significativamente la eficacia de los sistemas de refrigeración de las minas.

Sistemas de hielo y enfriadores puntuales

La capacidad de refrigeración de 1.0 l/s de agua enfriada suministrada bajo tierra es de 100 a 120 kWR. En las minas donde se requieren grandes cantidades de refrigeración subterránea a profundidades superiores a los 2,500 m, los costos de circulación del agua enfriada pueden justificar su sustitución por hielo. Cuando se tiene en cuenta el calor latente de fusión del hielo, la capacidad de enfriamiento de cada 1.0 l/s se cuadruplica aproximadamente, reduciendo así la masa de agua que se necesita bombear desde la mina de regreso a la superficie. La reducción en la potencia de la bomba resultante del uso de hielo para transportar el frío compensa el aumento de la potencia de la planta de refrigeración requerida para producir el hielo y la impracticabilidad de la recuperación de energía.

El desarrollo suele ser la actividad minera con las mayores cargas de calor en relación con la cantidad de aire disponible para la ventilación. Esto a menudo da como resultado temperaturas en el lugar de trabajo significativamente más altas que las que se encuentran con otras actividades mineras en la misma mina. Cuando la aplicación de la refrigeración es un problema límite para una mina, los enfriadores puntuales destinados específicamente a la ventilación del desarrollo pueden diferir su aplicación general. Un enfriador puntual es esencialmente una planta de refrigeración subterránea en miniatura donde el calor se rechaza en el aire de retorno del desarrollo y generalmente proporciona 250 a 500 kWR de enfriamiento.

Monitoreo y Emergencias

Los estudios de ventilación que incluyen mediciones de flujo de aire, contaminantes y temperatura se realizan de forma rutinaria para cumplir con los requisitos legales y para proporcionar una medida continua de la eficacia de los métodos de control de ventilación utilizados. Cuando sea práctico, los parámetros importantes, como el funcionamiento del ventilador principal, se controlan continuamente. Es posible cierto grado de control automático cuando un contaminante crítico se monitorea continuamente y, si se excede un límite preestablecido, se puede solicitar una acción correctiva.

Se realizan estudios más detallados de la presión barométrica y las temperaturas con menos frecuencia y se utilizan para confirmar las resistencias de las vías respiratorias y ayudar en la planificación de extensiones de las operaciones existentes. Esta información se puede utilizar para ajustar las resistencias de simulación de la red y reflejar la distribución real del flujo de aire. Los sistemas de refrigeración también se pueden modelar y analizar las mediciones de flujo y temperatura para determinar el rendimiento real del equipo y monitorear cualquier cambio.

Las emergencias que pueden afectar o ser afectadas por el sistema de ventilación son incendios de minas, estallidos repentinos de gases y cortes de energía. Los incendios y las explosiones se tratan en otras partes de este capítulo y las fallas de energía son solo un problema en las minas profundas donde la temperatura del aire puede aumentar a niveles peligrosos. Es común proporcionar un ventilador de respaldo alimentado por diesel para garantizar un pequeño flujo de aire a través de la mina en estas condiciones. Generalmente, cuando una emergencia como un incendio ocurre bajo tierra, es mejor no interferir con la ventilación mientras el personal que está familiarizado con los patrones de flujo normales aún se encuentra bajo tierra.

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