Estudio dinámico mediante simulación por CFD del efecto de un sistema de ventilación mono extractivo en la concentración de partículas suspendidas en Minas Subterráneas
1Pablo Vizguerra Morales, 1*Juan Carlos Baltazar Vera, 1Carolina Rodríguez Rodríguez, Joel Everardo Valtierra Olivares,1Roberto Ontiveros Ibarra, 1Dulce María Esquivel Gómez, 1Juan Esteban García Dobarganes Bueno, 2Alberto Florentino Aguilera Alvarado.
Resumen
En algunos casos la suspensión y movimiento de material particulado en minas subterráneas puede alcanzar tamaños de 2.5, 5 y 10 μm, lo cual genera condiciones de clima laboral altamente inadecuadas para el trabajador de este sector, dichas condiciones producen severos daños en la salud (afectaciones cardio pulmonares, silicosis, entre otras).
En este trabajo se llevó a cabo la simulación de las condiciones de ventilación de una mina subterránea a una temperatura de 40 °C y humedad relativa máxima del 95%; para realizar la simulación, se utilizó el software Fluent del paquete ANSYS 16 utilizando el modelo estándar κ-ε (2ecn).
Los resultados indican que, de acuerdo a la simulación, al emplear el sistema de extracción propuesto los niveles de concentración de partículas suspendidas en el aire por efecto del mismo se mantienen por debajo del máximo permitido por la norma correspondiente, la cual es de 120 μg/m3. En este sentido, el estudio indica que dicho sistema de ventilación mono extractivo puede ser viable para ser considerado en un sistema real de multi-extracción.
Palabras clave: Mina Subterránea, Tamaño de Partícula, Simulación, Modelo de Transferencia, Concentración de partícula.
Abstract
In some cases the suspension and movement of particulate material in underground mines can reach sizes of 2.5, 5 and 10 μm, which generates highly inadequate working environment conditions for the worker in this sector, such conditions produce severe damage to the worker’s health (pulmonary heart disease, silicosis, among others).
In this work, the simulation of the ventilation conditions of an underground mine at a temperature of 40 ° C and maximum relative humidity of 95% was carried out; To perform the simulation, the Fluent software of the ANSYS 16 package was used, applying the standard model κ-ε (2ecn).
The results indicate that, according to the simulation, when using the proposed extraction system, the concentration levels of suspended particles in the air are kept below the maximum allowed by the corresponding standard, which is 120 μg/m3. In this sense, this study indicates that this mono extractive ventilation system may be viable to be considered in a real multi-extraction system.
Keywords: Underground Mine, Particle Size, Simulation, Transfer Model, Particle Concentration.
Introducción
La minería ha sido a lo largo de la historia una de las actividades básicas para el desarrollo económico y tecnológico de la humanidad [Hartman, 1992], ya que los minerales constituyen el elemento base de la mayoría de las industrias, desde la materia prima hasta el producto ya fabricado [Hustrulid and Bullock, 2001]. La minería subterránea representa una actividad trascendental a lo largo de la historia ya que fue el primer método de extracción de mineral (rústicamente) con el uso de pico y pala, el cual se ha ido perfeccionando mediante la aplicación de la ingeniería [Vergne, 2008].
Es por lo descrito en el párrafo anterior que un área de suma importancia dentro de la Ingeniería de minas es la “Ventilación” la cual consiste en un flujo constante de aire que circula a través de las obras mineras subterráneas desarrolladas para esta actividad tales como, contrapozos, robines, rampas, niveles, etc. El cual ocurre debido a unas diferencias de presiones [Salazar, 1987]. En este sentido, un parámetro importante a considerar es la concentración de material particulado el cual se encuentra en suspensión constante debido al efecto de las corrientes generadas por los sistemas de ventilación mecánica utilizados; por lo anterior en este trabajo se desarrolla un estudio de simulación que permite dilucidar si al analizar un caso de estudio de ventilación mono-extractiva, este sistema se encontraría dentro de los niveles permitidos en la norma NOM-025-SSA1-1993.
Metodología
Estudio aerodinámico del material particulado
Para el estudio aerodinámico del material particulado, las ecuaciones que están implicadas en la solución del problema a ser modelado son las ecuaciones de Navier – Stokes, (κ – ε) Modelo de turbulencia RNG [LeVeque, 2004] y el modelo multifásico VOF, las cuales se muestran a continuación:
(1)
Ecuación de continuidad
Generación del elemento geométrico y malla para el proceso de simulación.
Para la elaboración de la malla de la obra de mina se utilizó un método de construcción de geometría Superior – Abajo en GAMBIT, empleando unidades de mallado del tipo mixto con celdas tetraédricas y hexahédricas con un total de 250000 unidades (ver Figura 1a y 1b) utilizando las siguientes dimensiones de mallado:
Dimensiones de 7m X7m con una longitud de 150m.
Magna de ventilación está conformada por una tubería concéntrica de 0.5m y una longitud de 120m, ubicada en la parte superior derecha.
Tubería de extracción tiene un diámetro de 1m con una longitud de 75m, ubicada en el centro de la mina.
Tubería que genera la combustión tiene un diámetro de 0.08m con una altura de 1m.
Para generar las mallas se emplearon las condiciones de frontera mostradas en las Tabla 1a, 1b y 2.
Resultados
Estudio aerodinámico del material particulado en un sistema de ventilación en una obra de mina subterránea.
La figura 2 muestra el comportamiento del material particulado a través de la obra minera, en dicha figura se puede observar que el material particulado presenta movimiento del tipo turbulento en toda la sección, lo cual es indicativo de que existe una distribución de aire homogénea.
La figura 3 muestra el perfil de concentración de material particulado en función de la posición en obra de mina subterránea con un tamaño de partícula de 2.5μm, en este sentido se puede observar que en dicho perfil se tiene una tendencia ascendente moderada en las posiciones 20m, 50m, 75m y 120m con valores de concentración de 5.8 μg/m3, 13.2 μg/m3, 17.2 μg/m3 y 25.1 μg/m3 respectivamente. Posteriormente, en la posición 150 m la concentración aumenta a un valor de 93.9 μg/m3, lo cual se debe a que en esa posición se encuentra el frente de mina lo que genera mayor turbulencia del material particulado debido al choque del aire proveniente del inyector con el material rocoso de esta zona.
La figura 4 muestra el perfil de concentración de material particulado en función de la posición en obra de mina subterránea con un tamaño de partícula de 5μm, en este sentido se puede observar que la tendencia de este perfil es similar que el mostrado para un tamaño de partícula de 2.5μm reportando valores de 3.2 μg/m3, 10.2 μg/m3, 17.2 μg/m3, 24.1 μg/m3 y 93.9 μg/m3 para las posiciónes 20m, 50m, 75m, 120m y 150m respectivamente.
La figura 5 muestra el perfil de concentración de material particulado en función de la posición en obra de mina subterránea con un tamaño de partícula de 5μm, la cual muestra que la tendencia de este perfil es similar al de los dos casos anteriores teniendo valores de 3.5 μg/m3, 10.2 μg/m3, 17.4 μg/m3, 23.1 μg/m3 y 93.3 μg/m3 para las posiciónes 20m, 50m, 75m, 120m y 150m respectivamente.
Conclusiones
El estudio aerodinámico de material particulado mostró que existe un régimen de movimiento turbulento a través de todo el tramo de obra en desarrollo de mina subterránea, el cual se incrementa en el frente de mina. En este sentido los resultados muestran que en todos los tamaños de partícula el sistema de ventilación presenta valores inferiores de concentración de partícula suspendida a los permitidos en la norma (120μg/m3) registrando valores entre 93 μg/m3 y 94 μg/m3 en todos los casos estudiados. Los resultados mostrados en este trabajo son indicativos para sugerir que implementar un sistema de ventilación como el estudiado para obras en desarrollo en mina subterránea, presenta viabilidad en términos de la cantidad de material particulado suspendido en el aire y puede ser estudiado con la finalidad de conocer su eficacia en relación a condiciones termo-ambientales así como en la extracción de gases nocivos
Agradecimientos
Se agradece el apoyo para la realización de este proyecto de investigación al programa de Apoyo a la Incorporación de NPTC-PRODEP, UGTO-PTC-626.
Referencias
Hartman H. (1992) “SME Mining Engineering Handbook”. 2 (2), https://trove.nla.gov.au/work/7563043.
Hustrulid, W., and Bullock, R. (2001) “Underground Mining Methods”. Society for Minng, Metallurgy, and Exploration, Inc, https://archive.org/stream/UndergroundMiningMethodsEngineeringFundamentals
/Underground%20Mining%20Methods%20Engineering%20Fundamentals_djvu.txt.
Vergne J. (2008). “Hard Rock Miner’s Handbook”. Stantec Consulting. p 157-175.
Salazar R. (1987). “Estudio General de Ventilación de la Mina La Negra”. Guanajuato, México. 1: 56-57 pp.
Norma oficial mexicana NOM-025-SSA1-1993. “Salud ambiental. criterio para evaluar la calidad del aire ambiente, con respecto a las partículas menores de 10 micras (pm10). valor permisible para la concentración de partículas menores de 10 micras (pm10) en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la población”,http://www.salud.gob.mx/unidades/cdi/nom/025ssa13.html.
Leveque, R. J. (2012). “Finite Volume Methods for Hiperbolic Problems”, Cambridge, United Kingdom, Cambridge University Press; 1, 19: 64 -85 pp.
