Evaluación del sistema de ventilación de Mina Colquechaquita

Evaluación del sistema de ventilación de Mina Colquechaquita

14th United States/North American Mine Ventilation Symposium, 2012 – Calizaya & Nelson
© 2012, University of Utah, Dept. of Mining Engineering
Evaluación del sistema de ventilación de Mina Colquechaquita
J. L. Condori
Sinchi Wayra SA, Grupo Caballo Blanco, Potosí, Bolivia
L. Hidalgo
Sinchi Wayra SA, Grupo Caballo Blanco, Potosí, Bolivia
RESUMEN: Colquechaquita es una mina subterránea y trabaja como una sección de la mina San
Lorenzo/Caballo Blanco de la Empresa Minera Sinchi Wayra, Grupo Glencore, ubicada en el
departamento de Potosí, Bolivia. La mina produce aproximadamente 400 toneladas de mineral de zinc,
plomo y plata de siete rajos usando el método de corte y relleno. Los rajos se encuentran esparcidos en
un área de medio kilometro de diámetro y a una profundidad de 400 m de la superficie. El mineral
quebrado es acopiado por medio de carros metaleros y locomotoras a batería y extraído a la superficie
por un winche y una jaula de un pozo vertical. En los frentes de trabajo, los mayores contaminantes de
aire son los gases tóxicos y humos de las explosiones. Actualmente, la mina consume aproximadamente
190 kg de ANFO por jornada. Para evacuar los contaminantes de aire, la mina utiliza un sistema de
ventilación ascendente donde el aire limpio es primero bajado a los niveles inferiores, distribuido a los
frentes de trabajo para luego ascender por chimeneas hasta la superficie. El sistema actual opera con la
ayuda de un ventilador de 125 HP de potencia y una capacidad de 14 m3/s (30 000 p3/min). De este
volumen solo un 60% llega a los frentes de trabajo. Este caudal es insuficiente para extraer los
contaminantes a tiempo. Para superar estas deficiencias, la empresa desarrollo una nueva chimenea, CH3S, de 6.25m2 de sección y esta en el proceso de implementación de un nuevo sistema con un ventilador
capaz de cubrir los requerimientos de caudal. Este estudio presenta un resumen de estos trabajos y los
pasos seguidos para seleccionar el nuevo ventilador.
1
mejorar la eficiencia del sistema de ventilación y llegar con
aire fresco a los niveles inferiores a más de 300 m de
profundidad.
Introducción
La mina Colquechaquita, del Grupo Caballo Blanco de la
Empresa Minera Sinchi Wayra, geológicamente se
encuentra emplazado en la parte sud de la cordillera
oriental de Bolivia, en la serranía del Kari Kari ubicado en
el departamento de Potosí, provincia Tomas Frías, cantón
Concepción, a una distancia de 27 km al sud este de la
ciudad de Potosí, sobre el camino que une a Potosí –Tarija
a una distancia de 13 km de la carretera. La mina se
encuentra a una altura de 4550 msnm Localizado en la
carta topográfica del IGM Esc. 1:50,000 Nº 64341, en las
coordenadas “WGS 84” 7819009 N, 219437 E. (Figura 1).
Esta es una mina subterránea que produce complejos de
zinc, plomo y plata utilizando el método de rajos corte y
relleno ascendente. La producción es de 400 toneladas
métricas por día.
El presente trabajo se realizó con el objeto de evaluar
el sistema de ventilación y determinar los beneficios
alcanzados con la ejecución de la Chimenea CH-3S (de
6.25m2 de sección) en el sector sud del yacimiento. Esta
chimenea fue construida por la empresa con el objeto de
Figura 1. Bocamina principal de la mina Colquechaquita,
Potosí, Bolivia
577
2.2 Trabajos Preliminares
Utilizando el método de corte y relleno, el mineral es
extraído de siete bloques (rajos) de 40 m de altura en
explotación, tres bloques en preparación y cinco frentes en
desarrollo. La perforación se realiza con perforadoras
neumáticas stopers y jacklegs. El explosivo utilizado es el
ANFO. De acuerdo a ciclo y ritmo de producción, un rajo
y cuatro frentes son disparados simultáneamente. La
cantidad del explosivo por disparo es de 89 kg en rajos y
100 kg en topes/frentes haciendo un total de 189 kg.
2
Con el objeto de establecer una línea de referencia del
sistema de ventilación de la mina, se realizó una inspección
física de las labores existentes incluyendo las entradas y
salidas principales, frentes de trabajo y los muros y puertas
utilizados para encausar el aire.
Durante el recorrido se hicieron mediciones de
velocidades del aire y las secciones transversales de las
galerías principales. Las velocidades de aire en diferentes
galerías y recortes fueron medidas utilizando un
anemómetro de aspas, Davis y ocasionalmente usando un
tubo de humo. Las secciones de las galerías fueron
medidas con un flexometro. Además de estas mediciones,
se realizaron varios aforos en los ingresos y salidas de aire
para verificar los resultados. Sobre la base de estas
mediciones se pudo determinar la distribución del aire en
la mina. El Cuadro 1 muestra un resumen de estas
mediciones. De acuerdo a este cuadro, el caudal total de
aire circulado por la mina en un promedio es de 21,500
p3/min (cfm). Considerando la potencia del ventilador y el
caudal impulsado, el consumo específico de energía
(hp/kp3/min) es igual a 5.9. Este es un valor muy alto para
minas subterráneas. El mayor problema radica en la
sección reducida de la chimenea CH-2S (1.44 m2). En un
sistema óptimo el consumo específico es generalmente
igual o menor a 2.
Ventilación de la Mina
2.1 Sistema de Ventilación
La Mina Colquechaquita utiliza un sistema ascendente de
ventilación. El aire limpio ingresa por la bocamina de nivel
cero y una chimenea ubicada al extremo sur, y egresa por
una chimenea central equipado con un ventilador de 125
caballos (HP) de potencia. Con esta disposición, parte del
aire contaminado es conducido por el cuadro de extracción
de mineral desde los niveles inferiores a nivel cero. Las
labores activas están concentradas en tres niveles: N 120,
N 160 y N 200. De acuerdo a las necesidades, el aire es
dirigido a los frentes de trabajo por medio de ventiladores
auxiliares. La Figura 2 muestra un esquema del sistema de
ventilación existente.
La ventilación auxiliar se realiza por medio de
ventiladores de 30 hp de potencia instalados de manera
libre en las galerías troncales y tienen como objetivo
impulsar el aire fresco hacia los frentes de trabajo y
evacuar el aire contaminado por la galería. Normalmente,
se usan mangas de 18 - 20 pulgadas de diámetro debido a
la sección reducida de las galerías.
A medida que los frentes avanzan, chimeneas en veta
son desarrolladas con una longitud de 40m (hasta conectar
con el nivel superior). Estas chimeneas permiten evacuar el
aire contaminado de los rajos o frentes activos (topes)
hasta los niveles superior de donde es dirigido hacia la
superficie.
Cuadro 1. Resumen de Entradas y Salidas de Aire
Caudal, p3/min
Descripción de la
Labor
Área
m2
Entradas
Ingreso, Nivel Cero
6.25
8 234
Chimenea CH-3S
6.25
12 137
Chimenea de relleno
1.44
3 096
Chimenea CH-2S
1.44
19 376
Total
20 372
Salidas
22 472
2.3 Demanda de Aire para Ventilación
Asumiendo que el mineral de esta mina continuara siendo
explotado por el método convencional de corte y relleno
con extracción del mineral por locomotoras a batería, el
caudal de aire requerido fue calculado en función de tres
variables: consumo de explosivos, tiempo de ventilación de
los frentes (no mayor de 30 min), y el número de personal.
El caudal así calculado, fue corregido utilizando un factor
de seguridad de 1.1. En base a estos datos y tomando en
cuenta la información proporcionada por el departamento
de operaciones, el caudal total requerido fue estimando en
62 000 p3/min. Este caudal incluye la cantidad de aire
necesario para remover los humos de las explosiones,
reducir el polvo así como para evacuar otros contaminantes
Figura 2. Red actual de ventilación - Vista desde el sur
578
Q explosivos = 2111 m3/min = 74 500 p3/min.
generados durante una jornada de trabajo. El detalle de
estos requerimientos es presentado a continuación.
Tomando en cuenta un factor de seguridad de 1.1, el
caudal requerido por explosivos es de 82 500 p3/min.
Considerando que el caudal mayor obtenido es por el
consumo de explosivos, para el diseño de la red se toma
este valor de 82 500 p3/min. El caudal elegido cubre el
requerimiento por número de personal, velocidad mínima y
dilución de los gases de explosivos en los frentes en trabajo
ubicados en el extremo sur del yacimiento.
2.3.1 Caudal por Número de Personal
Este caudal fue estimado sobre la base de 212 p3/min [1] y
un total de 55 trabajadores por turno.
Q personal = 212 * 55 * 1.1 = 13 000 p3/min (cfm)
2.3.2 Velocidad Mínima
Este caudal fue calculado en función de la velocidad
mínima establecida en las normas de la empresa de 20
m/min – 40 m/min (66 - 132 p/min) y la sección
transversal de las galerías. En el calculo del caudal se
utilizo el mayor valor de 132 p/min y una sección
transversal de 59.4 p2. Las galerías de explotación de la
mina tiene esta sección. Durante una jornada normal, es
necesario ventilar seis frentes en forma simultánea. Para
estos datos, el caudal requerido es:
3
Diseño del Sistema de Ventilación
La Figura 3 muestra la red de ventilación de la mina
construida con el programa Ventsim. La red muestra el
diagrama de velocidades del aire donde la velocidad mas
baja es mayor al estipulado (132 p/min), Por tanto con este
diseño se garantiza una adecuada ventilación hasta los
últimos niveles proyectados ubicados en el sector sur del
yacimiento de la mina.
Q dilución = 59.4 pie2 x132 p/min. * 6 frentes
= 47 000 p3/min.
Considerando un factor de seguridad de 1.1, se tiene un
caudal total de:
Q dilución = 52 000 p3/min.
2.3.3 Caudal por Consumo de Explosivos
El dato principal para este cálculo es la cantidad de
explosivos utilizados por turno. Sobre este aspecto, la
empresa utiliza dos normas internas: (1) los productos
tóxicos deben ser diluidos a una concentración menor de
0.008 % por el volumen, y (2) el tiempo de re-entrada
después de una voladura no deber ser menor a 30 min.
Sobre estos datos, el caudal de aire requerido por consumo
de explosivos fue calculado usando la siguiente ecuación
[1] y [2]:
Q = (100 x a x A) / MAC x t
A
a
=
=
MAC =
t
=
[m3/min]
Figura 3. Red de ventilación con proyección al nivel -360
muestra la ubicación de los rajos en los últimos niveles.
El Cuadro 2 muestra un resumen de caudales para las
labores proyectadas. Estos caudales fueron determinados
en función de los contaminantes generados y los
requerimientos básicos. Estos datos fueron alimentados al
simulador para determinar el punto de operación del
ventilador. Para los datos anteriores, el ventilador tendrá
las siguientes características:
- Caudal: 82,500 p3/min
- Caída de Presión: 5.5 pulg. H2O
- Potencia : 100 hp
(1)
Cantidad de explosivos en kg.
0.04 m3 de productos tóxicos generados por
la explosión de un 1 kg de explosivo
Valor limite permisible, 0.008%
Tiempo de reingreso al frente, > 30 min.
El factor A fue determinado sobre la base de cuatro
frentes de trabajo detonados simultáneamente (1 en
producción, 1 en preparación, 1 chimenea y 1 rajo). La
cantidad de explosivo utilizado es normalmente igual a 190
kg de ANFO / turno. Sobre la base de estos datos, un
tiempo de re-ingreso de 45 min y usando la ecuación 1, el
caudal requerido por explosivos es:
Para la selección de los ventiladores adecuados se realizó
simulaciones con diferentes series de ventiladores tomando
en cuenta los parámetros de caudal y presión. Esta
simulación incluyó al ventilador en uso actual 48J,
corrigiendo sus curvas de operación para una altitud de
579
4500 msnm. Para las condiciones actuales de la mina,
trabajando en la curva de 28º, a una presión de 3.6 pulg.
H2O arroja un caudal de 70 000 p3/min este resultado se
muestra en la Figura 4.
Cuadro 2. Distribución de caudales proyectados
Caudal, p3/min
Descripción de la labor
Área
m2
Entradas
42 500
Acceso nivel cero
6.25
Chimenea de Relleno
2.25
4 100
Chimenea CH-2S
1.68
27 400
Chimenea de Servicios
1.68
5 800
Chimenea CH-3S
6.25
Total
Salidas
83 800
83 800
83 800
Figura 4. Curva de operación del ventilador Cirigliano 48 J
en la curva 28º a una densidad de 0.75 kg/m3
Figura 5. Curva de operación del ventilador Spendrup 14070-1745 trabajando en la curva 3
La Figura 5 muestra los datos del ventilador utilizado
en el diseño, la curva característica seleccionada y el punto
de operación del ventilador que cubre los requerimientos
de presión y caudal de la mina. Esta curva corresponde a
un ventilador Spendrup 140-70-1745 trabajando en la
curva 3. La curva del ventilador fue corregida para operar
a una altura de 4500 msnm. De acuerdo a esta Figura, el
punto de operación del ventilador para la condición
proyectada esta dada por:
La Figura 6 muestra cuatro curvas características del
ventilador Spendrup 140-70-1745 para una densidad del
aire de 0.75 kg/m3. De estas, La curva # 3 fue elegida para
este proyecto.
Caudal
Presión
Potencia
= 84 000 p3/min
= 5.5 pulg. H2O
= 98 Caballos (HP)
Para los datos anteriores, una eficiencia del ventilador de
75 %, y un costo de energía eléctrica de $ 0.048/kW-hora,
el costo de operación del ventilador primario será de
$31,000 por año.
Figura 6. Curva de operación del ventilador Spendrup 14070-1745 para condiciones del nivel den mar (0.75 kg/m3).
580
4
Costos del Sistema de Ventilación
5
El costo del sistema de ventilación esta dividido en dos:
inversión en infraestructura y el costo de operación.
Excluyendo el costo del ventilador, que será relocalizado
de otra operación minera, la mayor inversión corresponde a
la infraestructura necesaria para la instalación
del
ventilador. Las construcciones civiles, instalación de partes
eléctricas y accesorios alcanza a $ 46 200 (Cuadro 3)
La nueva chimenea CH-3S, construida con equipo Alimak,
tiene una sección 2,5 x 2,5 m, equipando con un ventilador
como extractor, cubre el requerimiento de ventilación en el
área propuesto.
De acuerdo a los resultados de la modelación, para
cubrir el requerimiento de 82 500 p3/min se requiere de un
ventilador de por lo menos 82 000 p3/min de caudal a una
presión de 5.5 pulgadas de H2O. Con esta instalación, el
consumo específico disminuirá de 5.9 a 1.2 (menor a 2).
Esta reducción permitirá alcanzar los objetivos de
ventilación aumentando en caudal en las zonas activas y
mejorando la eficiencia del ventilador.
Para el ingreso de aire, la mina cuenta con la bocamina
principal del nivel Cero y la chimenea 2S. El aire fresco es
dirigido al Cuadro (pozo) de transporte de donde es
distribuido a los diferentes niveles de trabajo.
Actualmente, la mina cuenta con un ventilador modelo
48 J de 125 HP, instalado sobre la chimenea CH-2S. Por su
ubicación en relación a las zonas activas y el área reducida
de la chimenea de expulsión, el ventilador no trabaja
eficientemente.
Se actualizo la curva característica del ventilador 48 J
(curva 28º) para una altitud de 4500 msnm, y se reinstalo el
ventilador sobre la chimenea CH-3S como extractor. Con
la nueva ubicación, el ventilador aumenta el caudal hasta
70 000 p3/min y disminuye el consumo específico a 1.9.
Sin embargo, este caudal no es el adecuado. Para mejorar
el sistema de ventilación, se presentan las siguientes
recomendaciones:
Cuadro 3. Costo de instalación de ventilador principal*.
Ítem
Actividad
Costo, $
1
Obras civiles
8 000
2
Instalación
eléctrica
20 000
3
Accesorios
16 000
Conclusiones y Recomendaciones
Observación
Fundaciones y
protección
Transformador
y cableado
Difusor y
silenciadores
Imprevistos
2 200
(5%)
Costo Total, $
46 200
* Estos valores fueron tomados de otra unidad donde se
realizó este tipo de trabajo.
4
El costo de operación del sistema consiste del costo de
energía eléctrica para la operación ventilación primario y
los ventiladores auxiliares. El ventilador primario opera
continuamente todos los días con excepción de feriados.
Los ventiladores auxiliares (4) operan solo cuando hay
actividad en el frente. El costo de energía eléctrica es de
$ 0.048 kW-hr. En base a estos datos, el costo mensual de
operación del ventilador primario es:
1
- 1 Ventilador primario de 100 hp
- costo unitario de energía $ 0.048 kW-h
- 26 días de operación
Costo (primario) = 125*0.9 * 0.048 * 24 * 26
= $ 3369.6/mes
2
El costo de ventilación auxiliar fue estimado sobre
la base de cuatro ventiladores de 22.6 kW (30 hp) del
siguiente modo:
-
4 ventiladores de 30 hp
75 % de uso
90 % de potencia en servicio
3
Costo (secundario) = 120*0.9*0.048*24*26*0.75
= $ 2426. /mes
Costo total (primario + secundario) = $ 5 800
4
El costo mantenimiento es aproximadamente 7% del costo
de operación. Para estos datos, el costo total de ventilación
será de $6 200/mes ($74 500/año)
581
Reubicar el ventilador de CH-2S. Considerando
la capacidad y disponibilidad inmediata del
ventilador 48 J, a corto plazo se recomienda
instalarlo como extractor sobre la chimenea CH3S, con esta reubicación se cubrirá el caudal hasta
70 000 p3/min.
Equipar la chimenea CH-3S con un ventilador
como extractor con las características descritas en
la modelación Caudal: 82,500 p3/min, Presión:
5.5 pulg. H2O, esta instalación permitirá llegar
con el caudal requerido hasta los últimos niveles
proyectados (solución de mediano alcance.)
Ubicar una segunda cortina en Nivel Cero. Esta
cortina deber ser instalada a la altura de la actual
puerta de ventilación (ubicado entre las chimeneas
de relleno y la chimenea de servicios al piso). Esta
cortina permitirá encausar el aire fresco de la
bocamina principal por el Cuadro Triunfo y llegar
a los niveles inferiores.
Prolongar la Chimenea CH-3S al nivel 360. Esta
es una chimenea de 2.5 x 2.5 m de sección. Esta
prolongación permitirá ventilar los niveles
inferiores y extraer el aire contaminado de las
zonas activas.
5
6
7
8
Rehabilitar la Chimenea CH-2S. La chimenea
debe ser mantenida en toda su extensión y usada
para dirigir el aire a los niveles inferiores. Con
este objeto, esta debe ser aislada por medio de
puertas y muros en los niveles intermedios y
evitar fugas de aire fresco del Cuadro principal.
Instalar Tabiques de Aislamiento. Para garantizar
la provisión de aire hacia los diferentes frentes de
trabajo, se deben instalar tabiques / muros y/o
puertas en los sectores de menor concentración de
personal y/o labores.
Examinar los Controles de Ventilación. Todos los
controles de ventilación incluyendo las puertas,
reguladores, muros y ventiladores auxiliares
deben ser examinados periódicamente. Los
controles dañados deben ser reparados
inmediatamente.
Conducir Mensuras de Ventilación. Los caudales
de aire tanto en las entradas como en las salidas
deben ser medidas mensualmente. Estas
mediciones deben ser usadas para determinar
deficiencias o fallas en el sistema para luego ser
corregirlas para garantizar de ese modo un
funcionamiento eficiente del sistema de
ventilación
6 Referencias
[1] SINCHI WAYRA, 2010, “Normas de Higiene y
Seguridad Industrial”.
[2] Novitzky, A., 1962. “Ventilación de Minas”
[3] Lock, J., 1999. “Curso de Ventilación de Minas”
[4] Luque, V., 2010. “Manual de Ventilación de Minas”
[5] Calizaya, F., 2010, “Ventilación de Minas.”
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