Estudio del cálculo de requerimientos de ventilación empleando especificaciones de diferentes normativas para el análisis comparativo con la Norma Mexicana
1*Juan Carlos Baltazar Vera; 1Carolina Rodríguez Rodríguez; Joel Everardo Valtierra Olivares; 1Roberto Ontiveros Ibarra; 1Dulce María Esquivel Gómez; 1Juan Esteban García Dobarganes Bueno; 1Victor Manuel Quezada Aguilera; 1Benito Ricardo Marín Herrera; 1Hector Gabriel Salazar Pedroza; 2Gilberto Carreño Aguilera; 3Osiris Martínez Jiménez y 4Omero Alonso González.
Resumen
En este trabajo se desarrolla un estudio comparativo en términos de parámetros esenciales para el diseño de sistemas de ventilación en obras subterráneas empleando las especificaciones contempladas en diferentes normas como: El reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú, Reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería y Hard Rock Miner’s Handbook y comparándola con la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012. Los resultados muestran que el mayor caudal se obtuvo en el caso en donde usó el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú con un valor de 12.5 m3/s, en términos de diámetro de tubería, el menor valor se reporta para el caso donde se empleó la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 reportando d= 0.4m, en este sentido en lo que se refiere al requerimiento de presión el mayor valor (13.22” c.a) lo reporta el caso en donde se ultilizó la normativa mexicana. Finalmente el menor tiempo de desfogue de aire en la obra (renovación de aire fresco) se obtuvo al utilizar los parámetros específicos del reglamento peruano con un valor de 2.17 min para este caso de estudio. Los resultados permiten dilucidar las diferencias entre las diferentes normativas empleadas para el cálculo de parámetros de sistemas de ventilación al ser comparada con la normativa mexicana, lo cual permite generar recomendaciones con el fin de coadyuvar en la evolución e implementación de tecnología que permita la mejora continua de este aspecto en el sector minero metalúrgico de México.
Palabras clave: Mina Subterránea, Caudal, Presión total, Diámetro de ductería, Tiempo de ventilación.
Introducción
La minería es una de las actividades más antiguas de la humanidad. Casi desde el principio de la edad de piedra, hace 2.5 millones de años o más, viene siendo la principal fuente de materiales para la fabricación de herramientas. Se puede decir que la minería surgió cuando los predecesores del homosapiens empezaron a recuperar determinados tipos de rocas para tallarlas y fabricar herramientas. (Ministerio de minas, 2003).
La minería subterránea es aquella que se lleva a cabo bajo tierra, esta puede encontrarse desde unos pocos metros hasta varios kilómetros por debajo de la superficie, haciendo que cada mina sea un caso específico y particular. Sin embargo, existen distintos métodos de explotación que se utilizan de acuerdo a los diferentes tipos de yacimientos. Los diversos métodos de minería subterránea son difíciles de clasificar racionalmente porque cada aplicación depende no sólo de la geometría del yacimiento, sino que incluye otras consideraciones, como las condiciones del terreno, la distribución de pendientes, así como la presencia de estructuras (es decir, bóvedas, diques, etc.). (Vergne, 2014).
La ventilación en minas y túneles subterráneos es necesaria para asegurar un contenido mínimo de oxígeno en la atmósfera permitiendo no sólo la respiración de las personas que trabajan en su interior si no también el funcionamiento de sus equipos, ya que en ella se desprenden diferentes tipos de gases según el tipo de roca y la maquinaria utilizada. Estos gases pueden ser tóxicos, asfixiantes y/o explosivos, por lo que es necesario diluirlos rápida y eficazmente. (Quevedo, 2013). Al diseñar o trabajar con un sistema de ventilación de minas, el control de la calidad del aire es a menudo uno de los problemas más importantes, todos los trabajos subterráneos de la mina contienen el potencial de liberación de contaminantes del aire como estratos gaseosos, polvo, gases de explosión y gases de escape diésel. (Hartman, 1997).
El acondicionamiento climático es una parte muy importante de las minas, ya que las minas muy calientes requieren que se les enfrié el aire, y las más frías en ciertas latitudes, requerirán que el aire sea calentado a una temperatura agradable antes de enviarlo a las corrientes generales de ventilación. (Moncada, 2002).
Es por lo anteriormente expuesto que existen normatividades en diversos países, las cuales contemplan los requerimientos necesarios (Caudal de aire fresco, velocidad de flujo, etc) para proveer una ventilación adecuada al desarrollo y operación de obras subterráneas; por lo cual en este trabajo se hace un análisis comparativo de algunas de estas normatividades con el fin de dilucidar las diferencias existentes entre ellas en términos de los requerimientos de ventilación.
Metodología
Cálculo de los parámetros de ventilación
Al realizar el diseño de un sistema de ventilación en minas subterráneas es fundamental evaluar el requerimiento de aire necesario para cada zona de trabajo, este sistema debe generar un circuito de aire fresco, para calcularlo se debe de considerar tanto al personal que está laborando en el interior, así como los equipos que se encuentran en funcionamiento dentro de ella, además se debe considerar un factor de seguridad para que el aire no sea muy justo. Es importante decir que se debe prestar más atención a los topes de mina, las cuales son zonas con ventilación escasa (Zamarripa, 2020).
Cálculo del caudal de aíre fresco
La cantidad de aire fresco necesario por cantidad de personas en obra subterránea se calcula mediante la siguiente expresión:
(1)
Dónde:
Q1 = Caudal total para número de personas que trabajen en mina (m³/min).
K = Caudal mínimo por persona (m3/min).
N = Número de personas en el lugar.
Para calcular el requerimiento de aire fresco en base a los HP para el equipo de combustión interna utilizamos la siguiente formula:
(2)
Dónde:
Q2 = Caudal total para el número de equipos diésel trabajando en mina convertir a (m³/min).
J = Caudal mínimo por maquinaria diésel.
R = HP totales.
Para calcular el caudal total Qt (m3/min) requerido sólo se realizó una sumatoria del caudal requerido por el personal que labora más el caudal requerido por los equipos de combustión diésel.
(3)
Para el cálculo del caudal final necesario para ventilar una obra subterránea se emplea la siguiente ecuación:
(4)
Qt= Requerimiento de aire para el número de personal y equipo de combustión diésel.
F= Factor de fuga.
L= Longitud equivalente de la mina.
Cálculo del diámetro de tubería
En términos del diámetro de manga para conducción del aire fresco este se puede calcular por medio de parámetros como el caudal final y la velocidad del aire fresco de la siguiente manera:
(8)
Cálculo del requerimiento de presión del sistema
Las pérdidas por fricción se calculan mediante la siguiente expresión:
(5)
Dónde:
Pfr = Caída de presión (Pa).
K = Factor de fricción de la tubería.
C = Perímetro del ducto (m).
L = Longitud del túnel (m).
Q = Caudal.
A = Área del ducto (m2).
Para el cálculo de la presión dinámica se emplea la siguiente expresión:
(6)
Dónde:
∆Pdin= La pérdida de carga del aire (Pa.).
ρ= La densidad del aire (kg/m3).
V= La velocidad del aire en el conducto (m/s).
g= Gravedad (m/s2).
La presión total es la sumatoria de las pérdidas por fricción y la presión dinámica:
(7)
Cálculo del tiempo de ventilación
El cálculo del tiempo de ventilación se llevó a cabo calculando la velocidad del aire fresco en el sistema y tomando en cuenta la distancia que este flujo tiene que recorrer en la obra, lo cual permitirá conocer el tiempo de desfogue de aire viciado.
Características del caso de estudio
El caso de estudio para este trabajo cuenta con las siguientes características.
Datos de la obra.
- Sección de obra: 4×4 m
- Altura de banco: 50 m
- Área de sección: 13.6 m2
- Longitud de rebaje: 120m
- Personal requerido para el rebaje igual a 8
Maquinaria Diesel considerada para trabajo en el rebaje:
- Scoop Tram (st- 1020): 1 unidad.
- Camión bajo perfil (mt 2010): 1 entrando y 1 saliendo.
Análisis comparativo de requerimientos de ventilación
Se llevó a cabo un análisis comparativo del cálculo de requerimientos de ventilación empleando la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012, el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú, Reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería y Hard Rock Miner’s Handbook.
Resultados
Cálculo del Caudal de aire fresco
La Figura 1 muestra el caudal requerido para el caso de estudio calculado empleando diferentes normatividades; en dicha figura se puede observar que el caudal más grande se obtiene al emplear los parámetros considerados en el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú (12.5 m3/s), seguido de la metodología donde se usó el reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería de Chile (11.3 m3/s), en tercer lugar se observa la metodología empleando el Hard Rock Miner’s Handbook (10.5 m3/s) y finalmente el caso donde se empleó la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 ( 7.5 m3/s).
La Figura 2 muestra el diámetro de ducto requerido para el caso de estudio calculado empleando diferentes normatividades; en dicha figura se puede observar que el diámetro de ducto más grande se obtiene al emplear los parámetros considerados en el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú (0.52 m), seguido de la metodología donde se usó el reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería de Chile (0.5 m), en tercer lugar se observa la metodología empleando el Hard Rock Miner’s Handbook (0.48 m) y finalmente el caso donde se empleó la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 (0.4 m).
La Figura 3 muestra el requerimiento de presión para el caso de estudio empleando diferentes normatividades, en este sentido se puede observar que el mayor requerimiento corresponde al caso de la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 (13.22 c.a); asímismo, el caso donde se usó el Hard Rock Miner’s Handbook reportó un valor de (10.45 c.a) seguido del caso donde se utilizó el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú (9.94 c.a). Finalmente, el caso donde se empleó el reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería de Chile reportó un valor de 9.88 c.a.
La Figura 4 muestra el tiempo de desfogue de aire para el caso de estudio empleando diferentes normatividades, en este sentido se puede observar que el mayor tiempo corresponde al caso de la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 (3.63 min); asímismo, el caso donde se usó el Hard Rock Miner’s Handbook reportó un valor de (3.60 min), seguido del caso donde se utilizó el reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería de Chile (2.40 min). Finalmente, el caso donde se empleó el reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú reportó un valor de 2.18 min.
En este trabajo se calcularon parámetros importantes para un caso de estudio en lo que a ventilación de obras subterráneas se refiere empleando diferentes normatividades; en este sentido se tomó como referencia la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 ya que es la normativa que aplica a nuestro país, de acuerdo a esto se puede observar que en lo que se refiere al caudal, al utilizar la norma mexicana se obtiene el valor más bajo con respecto a las otras normas y reglamentos, esto se puede deber a la variación de los parámetros especificados en cada una de ellos como puede ser: Caudal por personal, por Hp de equipos, altura, humedad, etc. Como consecuencia del valor del caudal la norma mexicana para este caso de estudio presenta el diámetro más pequeño de ducto, lo cual permite emplear ductería desde 18 in, lo que deja un amplio margen para ajuste de la velocidad de flujo y caudal mediante el ajuste de ductería si es necesario. Asímismo, los demás casos de estudio presentaron diámetros de ducto acorde a los convencionalmente empleados ya que ninguno de los diámetros calculados excede las 36 in, el cual se considera la medida estándar.
En términos de la presión requerida se puede observar que en congruencia con los datos reportados en el trabajo el caso de estudio donde se utilizó la normativa mexicana presentó una mayor presión, lo anterior debido a que este caso presentó el menor diámetro de tubería el cual impacta directamente en el cálculo de las presiones. Finalmente, y congruente con el cálculo del caudal al utilizar la norma antes mencionada se obtiene el tiempo de desfogue (renovación de aire) mayor de todos los casos de estudio.
Conclusiones
El estudio comparativo en función del cálculo de requerimientos propios de un sistema de ventilación empleando diferentes normatividades y reglas de cálculo muestra que para el caso donde se empleó la Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012 presenta los parámetros menos reforzados, esto se debe a las diferencias en las especificaciones para tal fin en dicha norma con respecto a las otras. En este sentido se podría sugerir realizar un estudio de campo analizando la calidad del aire al emplear la norma mexicana y corroborar si efectivamente con dichas especificaciones se puede obtener una calidad adecuada del aire en el interior de la mina, de lo contrario, se puede sugerir complementar los sistemas con parámetros más holgados contenidos en otras normativas, así como realizar propuestas para la mejora de la norma vigente en nuestro país.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad de Guanajuato por el apoyo para el desarrollo de este trabajo.
Referencias
- Hartman, H. L. (1997). Mine Ventilation and Air Conditioning (Third edition ed.). Wiley Interscience.
- Ministerio de minas. (2003). Glosario Tenico Minero. Bogotá, Colombia. https://books.google.com.mx/books?id=YUsbzGmMEogC&pg=PA33&dq=ventilacion+de+minas+subterraneas&hl=es-419&sa=X&ved=0ahUKEwjY9r78w4LpAhVDKKwKHWRACTEQ6AEIRDAE#v=onepage&q=ventilacion%20de%20minas%20subterraneas&f=false
- Moncada, J. J. (2002). Diseño de instalaciones mineras. Hermosillo, Sonora, México: Universidad de Sonora.
- Norma Oficial Mexicana NOM-023-STPS-2012. (2012). http://www.stps.gob.mx/bp/secciones/dgsst/normatividad/normas/nom-023.pdf
- Reglamento de seguridad e higiene minera DS N° 055-2010-EM del Ministerio de Energía y Minas del Perú. (2010). http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/Mineria/LEGISLACION/2010/AGOSTO/DS%20055-2010–EM.pdf
- Reglamento de seguridad minera decreto supremo Nº 132 del ministerio de minería (2002). http://www.sigweb.cl/wp-content/uploads/biblioteca/ReglamentoSeguridadMinera.pdf
- Quevedo, C. M. (2013). Tesis “Sistema de ventilación de diez kilometros del túnel de conducción de la Central Hidroeléctrica Huanza”. Lima, Perú: Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
- Vergne, J. d. (2014). Hard Rock Miner’s Handbook. Canadá: Stantec Consulting Ltd.
- Zamarripa, Y.G (2020). Tesis “Estudio del tiempo adecuado de ventilación para un sistema mono extractivo colocado en el frente de una obra subterránea”. Universidad de Guanajuato.
- Departamento de Ingeniería en Minas, Metalurgia y Geología, División de Ingenierías, Campus Guanajuato, Universidad de Guanajuato.
- Departamento de Ingeniería Geomática e Hidráulica, División de Ingenierías, Campus Guanajuato, Universidad de Guanajuato.
- Departamento de Ingeniería Industrial, Tecnológico Nacional de México, Campus ISTMO.
- Unidad Académica de Ingeniería, Universidad Autónoma de Zacatecas.
