Métodos y planeación de ventilación de minas subterráneas

Garantizar aire respirable en las minas subterráneas es un reto. La imperceptible presencia de gases puede ser mortal, si no se ha diseñado un sistema eficaz de ventilación. En su Guía de Seguridad para ventilación de minas subterráneas, la compañía de seguros Positiva ofrece algunas recomendaciones.

La ventilación de una mina consiste en el proceso de hacer pasar un flujo de aire considerable y necesario para crear las condiciones óptimas para que los trabajadores se  encuentren en una atmósfera agradable, limpia y sin gases.

La ventilación se realiza estableciendo un circuito para la circulación del aire a través de todas las labores. Para ello es indispensable que la mina tenga accesos independientes.

En las labores que sólo tienen un acceso (por ejemplo, una galería en avance) es necesario ventilar con ayuda de una tubería. La tubería se coloca entre la entrada a la labor y el final de la labor. Esta ventilación se conoce como secundaria, diferente a la que recorre toda la mina que se conoce como principal.

Necesidad de la ventilación

Es necesario establecer una circulación de aire dentro de una mina subterránea por las siguientes razones:

• Se debe asegurar un contenido mínimo de oxígeno en la atmósfera de la mina para permitir la respiración de las personas que trabajan en su interior.
• Se requiere diluir los gases, los cuales pueden ser tóxicos, asfixiantes y/o explosivos por debajo de los valores límites permisibles legales.
• Se hace necesario ventilar la mina para climatizarla, a medida que aumenta la profundidad de la misma, la temperatura aumenta, adicionalmente, los equipos y máquinas presentes en el interior contribuyen a elevar la temperatura del aire.
• Se requiere que los frentes de trabajo tengan un confort térmico, que permita que el trabajador labore en condiciones óptimas de rendimiento y seguridad.

Atmósfera Minera

La atmósfera de la mina debe tener una composición, temperatura, grado de humedad, entre otros, óptimos para desarrollar una labor con seguridad, salud y que se obtengan altos rendimientos de los trabajadores.

El aire en las minas

a. El aire atmosférico normal (seco) está compuesto por:

• N2 78% Vol.
• O2 20.86% Vol.(21%)
• CO2 0.20% Vol.
• Argón 0.93% Vol.
• Otros gases 0.01% Vol.

b. Otras impurezas que contiene el aire provienen de:

• Humos y gases de voladura.
• Gases de las mismas formaciones geológicas.
• Polvo de las labores mineras.

c. Los principales contaminantes de la atmósfera minera son:

• CO Monóxido de carbono.
• CO2 Gas carbónico.
• CH4 Metano.
• H2S Ácido sulfhídrico.
• NO -NO2 Gases nitrosos.
• SO2 Anhídrido sulfuroso.
• Polvos de roca.
• Radón y minerales radiactivos.

Clasificación de gases

1. Gases asfixiantes: producen una disminución de oxígeno en el aire, debido a que ocupan el volumen de este en la atmósfera del lugar.
2. Gases tóxicos: provocan una disminución de oxígeno, penetrando a los pulmones y luego al resto del organismo.
3. Gases explosivos: producen efectos nocivos, tales como intoxicación, envenenamiento, destrucción de los tejidos, alteración de órganos y en última instancia la muerte; gases que mezclados con el aire producen en presencia de un iniciador (chispa) una explosión.

Métodos de ventilación

Ventilación natural

Sistema de ventilación que tiene dos accesos, uno que funciona como entrada y el otro como salida del aire; se emplea en las labores mineras subterráneas, principalmente las localizadas en montañas, que se consigue por diferencia de cota, sin utilizar ninguna clase de equipo mecánico o eléctrico como ventiladores y extractores. La única fuerza natural que puede crear y mantener un flujo apreciable de aire es la energía térmica, debido a la diferencia de temperatura y presión barométrica que genera una diferencia de peso específico entre el aire saliente y entrante.

La ventilación natural depende de la diferencia de elevación entre la superficie y las labores mineras subterráneas; la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la labor (a mayor diferencia, mayor presión y por lo tanto es mayor el flujo). También es muy cambiante, depende de la época del año, incluso en algunos casos, de la noche y el día. Se denomina así porque el aire que recorre las labores mineras no es forzado ni se utilizan equipos para que el aire entre a la excavación minera.

Ventilación auxiliar

Presión de ventilación que se establece como resultado de un efecto mecánico, en particular un ventilador, el cual suministra la energía de ventilación para el flujo de un volumen de aire.

Para galerías horizontales de poca longitud y sección, lo conveniente es usar un sistema impelente de mediana o baja capacidad, dependiendo del equipo a utilizar en el desarrollo y de la localización de la alimentación y evacuación de aire del circuito general de ventilación de la zona.

Ventilación principal

La ventilación en una mina subterránea es el proceso mediante el cual se hace circular por el interior de la misma el aire necesario para asegurar una atmósfera respirable y segura para el desarrollo de los trabajos. Se realiza estableciendo un circuito de ventilación, para la circulación del aire a través de todas las labores.

La ventilación principal de la mina es la que recorre todas las labores mineras y de ese circuito se desprende la ventilación a los frentes de trabajo de la mina. Esta ventilación debe ser forzada. El caudal de aire que circule por la mina dependerá del número de trabajadores, la extensión y sección de las labores, el tipo de maquinarias de combustión interna y las emanaciones de gases naturales de la mina.

Planeación

Es el conjunto de etapas y procesos que involucran el diseño ingenieril de la ventilación de la mina. Para esto se debe tener en cuenta que una persona competente, ingeniero en minas y metalurgia o especialista en ventilación de labores subterráneas, calcule y diseñe el circuito de ventilación de la mina.

Con el cálculo de ventilación de la mina, esta debe ser adaptada de acuerdo al diseño ingenieril establecido, manejando dentro de la explotación un plano de la mina, con los valores definidos en el plan de ventilación de la mina y con los valores observados en las mediciones y en el monitoreo continuo, establecido de acuerdo a los protocolos de seguridad.

Para tal fin se puede tener un isométrico de ventilación, con los cálculos efectuados por el personal competente y con los valores dados de las mediciones efectuadas, con el fin de verificar el estado de la ventilación de la mina.

De la misma manera, se debe establecer la proyección de la ventilación, para que las exigencias de caudales, vayan cumpliendo las exigencias de aire en la mina.

Programa de Gestión

El programa adoptado debe incluir la clase de ventilación a emplear, proporcionar capacitación y entrenamiento a los mineros asignados, historia de todas las mediciones de gases y de caudales de ventilación y una evaluación sistemática de la efectividad del sistema de ventilación de la mina.

Una copia del programa debe estar disponible para los trabajadores, siendo responsabilidad de estos y del personal de supervisión examinar y comprobar el estado de ventilación de la mina.

Requerimientos generales

A continuación se presenta la información que debe contener como mínimo Un sistema de ventilación debe contener como mínimo:

• Responsable calificado de la ventilación.
• El plan general de ventilación.
• Los planos del sistema de ventilación.
• Los requisitos de seguridad para las obras de ventilación.
• Las condiciones de seguridad de los ventiladores.
• Las condiciones de seguridad para el control del volumen de aire.
• Los procedimientos de seguridad para trabajos de mantenimiento y operación.
• Las medidas de seguridad para cuando se rebasen los límites de concentraciones de gases.
• Las acciones a desarrollar en caso de paro del sistema de ventilación y para el restablecimiento de la ventilación.

Estudio técnico

El estudio técnico de la ventilación de la mina debe contemplar, como mínimo, los aspectos que se indican en los apartados siguientes:

• Diseño del circuito de ventilación.
• Plano de ventilación de la mina.
• Cálculo de ventilación de la mina.
• Cálculo de ventiladores de la mina.
• Medición de caudal requerido por el número de personal.
• Medición de caudal requerido por temperatura.
• Medición de caudal requerido por el polvo en suspensión.
• Medición de caudal requerido por la producción.
• Medición de caudal requerido por consumo de explosivos.
• Medición de caudal requerido por equipo diésel.
• Medición permanente de gases.

Diseño

El diseño de la ventilación de la mina involucra el cálculo en cada explotación de los factores analizados. Para este diseño se debe contar con una persona experta que realice los cálculos necesarios y defina el circuito de ventilación de la mina, realizando el cálculo de los ventiladores principales y de los caudales necesarios.

Cada explotación minera debe realizar permanentemente mediciones de gases en los frentes de trabajo activos y establecer tableros de control para que el personal tenga conocimiento de la atmósfera de la mina.

Como el avance de la mina es dinámico, cada explotación debe contar con un plano de ventilación actualizado semanalmente, con el fin de observar los problemas de aire y los frentes críticos.

Para el diseño de la ventilación de la mina, se debe tener en cuenta que el avance de los frentes ciegos se debe desarrollar con ventiladores auxiliares.

Medición de Gases

Procedimiento para la medición de gases

1. Se calibra el aparato para que emita una alarma sonora cuando el contenido de los gases tome lecturas que excedan los límites permisibles. Esta operación se realiza haciendo un bump test al equipo con un cilindro patrón, operación que se debe hacer cada vez que se vaya a hacer una medición.
2. Se ingresa a los frentes de trabajo de la mina y se miden los gases que se relacionan a continuación: O2, CO, CH4, H2S, CO2 y Gases nitrosos.
3. Si los valores medidos son superiores a los valores permisibles, se deja firmado un acta de compromiso donde no se puede ingresar a ese frente de trabajo hasta que se inyecte aire al frente, este puede ser suministrado con la instalación de un ventilador auxiliar soplante.
4. Se deja registro de los principales valores de los gases medidos, la fecha y hora de medición y el profesional que realizó la medición. Esto puede ser materializado en un tablero de medición de gases.

El contenido de los gases debe ser medido de la siguiente manera teniendo en cuenta su peso específico:

• CH4 y CO en las partes altas de la excavación minera, ya que son más livianos que el aire.
• CO2 y gases nitrosos en la parte baja de la excavación minera ya que son más pesados que el aire.
• O2 y H2S en la parte media de la excavación minera.

Mediciones de la humedad

La humedad del aire se puede definir por la humedad absoluta, la humedad relativa, al grado de saturación y punto de rocío. La humedad se determina con higrómetros y psicrómetros.

Medida de la temperatura en las minas

Se pueden usar:

1. Termómetros ordinarios (psicrómetro, termo-anemómetro).
2. Pares – termo-eléctricos.
3. Medidores de resistencia variable. Con coeficientes de temperatura positiva o negativa. Los más importantes son los negativos llamados termostatos, fabricados en sustancias semiconductoras y cuya resistencia varía según la temperatura absoluta.
4. Psicrómetros.
5. Termohigroanémometros, este toma también lecturas de velocidad y humedad.

Causas que elevan la temperatura del aire en la mina

El aumento de profundidad correspondiente a una elevación de temperatura de 1°C cada 100 m de profundidad.

Las principales causas son:

1. Compresión adiabática del aire en el pozo de entrada.
2. Calor del terreno.
3. Formas de oxidación, motores, explosivos, lámparas, respiración.
4. Temperatura del aire en superficie.
5. Intensidad de ventilación.

Explosividad del polvo de carbón

Un factor importante para una buena ventilación de una mina es el tipo de materia volátil que tiene el carbón el cual puede producir un polvo explosivo.

El pentágono de explosividad del polvo de carbón es el siguiente:

• Polvo: tamaño de partícula, calidad y cantidad.
• Ignición: calor, chispa, soldadura.
• Oxígeno.
• Suspensión: dispersión del polvo de carbón (nube).
• Confinamiento.

El problema del polvo de carbón es que después de una explosión de metano, se produce una explosión de polvo de carbón debido al pentágono de explosividad del polvo de carbón, ya que después de la explosión de metano existen todas las características para producirse explosión de polvo de carbón.

Prevención de las explosiones

Solo con remover alguno de los lados del triángulo o del pentágono, se elimina la amenaza de explosión. En caso de las explosiones de polvo de carbón, la mejor defensa es eliminar el combustible y la fuente de calor (ignición).

• Eliminar la ignición: las igniciones por fricción pueden ser controladas con buen mantenimiento, con el uso de agua en regadera.
• Eliminar el metano: aunque haya fuentes de ignición, si no hay metano, no hay explosión. Aunque es fácil decirlo, el metano debe ser controlado con buenas prácticas de ventilación.
• Eliminar el polvo de carbón: el polvo de carbón es inherente a la producción de carbón. Lavar los techos, cálices y paredes ayuda a remover el polvo de carbón presente. Es también necesario eliminarlo de los puntos de transferencia de carbón en la mina.
• Suspensión, confinamiento y oxígeno: mantener el polvo de carbón totalmente húmedo de tal forma que no se levante y sea aglomerado y cambiar las propiedades asegurando que no sea inflamable.

En los frentes de producción es común usar agua, también en los puntos de transferencia, pero tiene que ser drenada. Uso de soluciones salinas que al evaporarse forma costras sobre el polvo de carbón. Adicionar polvo de roca a los techos, cálices, paredes y pisos hasta que el polvo de carbón sea inerte.

El polvo fino de carbón en suspensión es capaz de formar nubes de polvo inflamables, cuya explosión puede ser en ocasiones más grave que la del grisú, ya que por lo general, el polvo está más extendido en la mina y en las instalaciones de procesamiento.

Construcción de barreras de polvo o agua

Para la construcción e instalación de las barreras de polvo o agua, se deben tener en cuenta las siguientes normas:

1. Las barreras de polvo inerte o de agua contra explosiones, se deben instalar en tramos de vías subterráneas.
2. Los tramos de vías delante y detrás de la barrera contra explosiones deben tener una longitud mínima de 25 metros.
3. En la zona donde se instale la barrera contra explosiones se debe indicar en un tablero.
4. Las plataformas de las barreras de polvo deben estar constituidas de tablones no clavados y sin rebordes.
5. El material inerte que se utiliza en las barreras de polvo, debe tener las mismas características del usado en los procesos de neutralización.
6. El material utilizado en los recipientes de las barreras de agua debe ser lo suficientemente frágil, para que se rompa al ser alcanzado por un golpe de polvo o una onda explosiva.
7. Las barreras de polvo o agua, deben colocarse perpendiculares al eje de la galería.
8. Las barreras de polvo o agua que se utilizan para aislar sectores de explotación, deben contener por lo menos, 400 litros de material por m2 de sección transversal de la galería donde estén instaladas y su longitud debe ser inferior a 80 metros.
9. Las barreras de polvo o agua que se instalan en las galerías de transporte de carbón, deben contener por lo menos 200 litros de material por m2 de sección transversal de la galería donde estén instaladas y su longitud debe ser inferior a 40 metros.

Registros, muestras y protocolos

• Disponer de una persona responsable de la ventilación de la mina.
• Llevar los registros y cálculos de las variables que afectan las condiciones del aire (presiones estáticas y dinámicas, abertura equivalente, cálculo de flujos que pasan por el ventilador, velocidad y caudales).
• Tomar muestras de aire para análisis, búsqueda de grisú, control de medidas contra incendio e higiene del personal en todos los sitios de la mina para evitar que se produzcan basureros en la mina.
• Tener protocolos sobre (cálculo del sistema de ventilación de la mina, estándares de calibración de equipos, qué hacer en caso de incendio, normas de barreras de ventilación, normas sobre toma de muestras de aire, etc.).
• Publicar en carteleras y varios sitios de la mina los registros de las lecturas de gases.
• Disponer de un reglamento de ventilación para la labor subterránea.

Tener en cuenta:

• En caso que sea necesario suspender la ventilación principal o auxiliar, esta medida debe ir precedida de una orden escrita de la persona técnicamente responsable de la mina o del frente.
• Cuando por fallas del servicio de energía no haya ventilación, se debe evacuar el personal de la mina.
• Al restituirse la ventilación antes de la entrada de personal, deben revisarse todos los frentes activos.
• La presencia del 1% o más de metano, cualquiera que sea el sitio bajo tierra, se define como una acumulación de metano.
• Estas acumulaciones de metano en minas de carbón tienen lugar en las partes superiores de las excavaciones subterráneas o en zonas de derrumbe de bastante importancia y deben ser diluidas lo más rápido posible, bajo la dirección de un ingeniero de minas o de un supervisor minero calificado y capacitado.

Recomendaciones generales

1. Mantener limpia la atmósfera de trabajo para hacerla respirable.
2. El aire que se introduzca a la mina debe estar exento de gases, humos, vapores o polvos nocivos o inflamables.
3. Ningún lugar de trabajo bajo tierra, debe ser considerado apropiado para trabajar si su atmósfera contiene menos de 19% de oxígeno.
4. Realice el monitoreo permanente de gases.
5. El volumen mínimo de aire que circule en las labores subterráneas, debe calcularse teniendo en cuenta el turno de mayor personal, la elevación de estas sobre el nivel del mar, gases o vapores nocivos y gases explosivos e inflamables.
6. Está prohibida la ventilación por difusión, excepto en túneles o galerías avanzadas hasta 10 metros donde no haya presencia de metano o de gases contaminantes, ni peligro de acumulación del mismo.
7. En toda mina subterránea, las instalaciones para entrada y salida de aire deben ser independientes. Los sistemas de ventilación no podrán formar circuitos cerrados.
8. Las vías de ventilación deben someterse a un mantenimiento adecuado para evitar posibles obstrucciones que puedan interrumpir el flujo normal del aire y mantenerlas accesibles al personal.
9. Las áreas de trabajo antiguas o abandonadas deben ser aisladas del circuito de ventilación, para evitar el tránsito de personal.