Estudio topográfico para el desarrollo de una sección de pozos de ventilación en mina subterránea

Por: C. Carranza ¹, B. Flores¹, G. Rosales-Marín^1,2, E. Espinosa¹, G. Alvarado¹, D. Nava¹ y J. Andrade-Martínez^1*

Resumen
La ventilación en las minas subterráneas tiene como objetivo primordial el suministro de aire fresco para aquellas operaciones mineras unitarias que requieren capital humano, así como la dilución-extracción de polvo y gases producto de las operaciones como la voladura entre otros. Sin embargo, para poder asegurar la utilidad, y calidad estructural de los conductos de ventilación es necesario valerse de herramientas como la topografía, la cual actualmente cumple con un papel importante en la minería, ya que es aquella que se encarga de llevar todo un control de avances, rumbos, desbordes de labores de producción, entre otros. En este trabajo, un pozo de ventilación mediante el uso de metodología basada en máquina Robbin´s es implementado con el fin de evaluar la disminución de los costos para generar ductos de ventilación. Como se puede apreciar en el conjunto de softwares usados como herramientas para conocer información geológica de la zona de estudio, que proporcionen información clara en las labores de extracción reduce los costos de inversión, el tiempo y brindar mayor seguridad en cada una de las obras mineras.

Palabras clave. Topografía, Pozo de ventilación, Robbin´s, Mina Subterránea.

Abstract
Ventilation in underground mines has as its primary objective the supply of fresh air for those unitary mining operations that require human capital, as well as the dilution-extraction of dust and gases produced by operations such as blasting, among others. However, to ensure the usefulness and structural quality of the ventilation ducts, it is necessary to use tools such as topography, which currently plays an important role in mining since it is the one that oversees keeping track of progress, directions, overflows of production work. In this work, a ventilation shaft using Robbin’s machine-based methodology is implemented in order to evaluate the decrease in costs to generate ventilation ducts. As can be seen, the set of software used as tools to know geological information of the study area, which provide clear information in the extraction work, reduces investment costs, time, and provides greater security in each of the mining works.

Keywords. Topography, Ventilation shaft, Robbin’s, Underground Mine

Introducción
La ventilación en mina subterránea
La ventilación tiene por meta mantener en la atmósfera de la mina una composición, una temperatura y un grado de humedad compatible con la seguridad, la salud y el rendimiento del personal. Lo anterior es indispensablemente necesario para asegurar la respiración del personal minero, diluir los gases nocivos de la mina, en particular el grisú, así como reducir la temperatura, especialmente en las minas profundas.

Las obras de ventilación en mina subterránea tienen una gran importancia, para poner en evidencia esta afirmación, existe la costumbre de comparar el peso del aire circulante en los trabajos mineros con el de los minerales extraídos; el peso del aire es generalmente muy superior. Por ejemplo, en Colombia en minas como la Chapa, en el año 1974, la cantidad de aire circulante fue de 3 veces la producción del mineral de carbón explotado. Los consumos de energía tampoco son nada despreciables ya que en este año estudios realizados arrojaron un consumo de 5 kWh por tonelada neta de aire. A su vez es importante recordar que los gastos de energía no representan más que una fracción del costo de la ventilación; es necesario considerar los costos por amortización y el mantenimiento de los ventiladores, trabajos de distribución de la corriente de aire, mano de obra de la supervisión y control.

Composición típica del aire en las minas  
El aire atmosférico normal consta de 21% de oxígeno y 78% de nitrógeno, en volumen, algunos otros componentes son: gas carbónico, gases raros, vapor de agua en porcentajes variables. La composición del aire atmosférico normal (seco) es: 78% N₂, 20.86% O₂, 0.20% CO₂, 0.93% Ar y otros gases con un 0,01%. Cabe destacar que esta composición puede contener vapor de agua de 0.05% hasta 4%, teniendo en promedio 1%, este porcentaje no influye en la relación oxígeno-nitrógeno. Fuera de estos componentes normales, el aire de las minas contiene otras impurezas que son provenientes de humos y gases de voladuras, gases de las mismas formaciones rocosas y polvo proveniente de las labores mineras. Los principales contaminantes del aire son: monóxido de carbono (CO), gas carbónico (CO₂), metano (CH₄), gases nitrosos (NO + NO₂), anhídrido sulfuroso (SO₂) entre otros (Gastañaga, 1963; Souza, 2011).

Tipos de Ventilación
Se pueden clasificar en dos grandes grupos: ventilación natural, ventilación mecánica. Estas a su vez deben considerar la ventilación impelente y aspirante, en la impelente el ventilador impulsa el aire al interior de la mina por medio de una tubería, en el caso de aspirante el ventilador succiona el aire del interior de la mina por la tubería y lo expulsa al exterior. El requerido será calculado basado en el número de personas, el polvo en suspensión, la temperatura y el consumo de explosivos. 

Ventilación Natural 
Es el flujo natural de aire fresco que ingresa al interior de una labor sin necesidad de equipos de ventilación, en una galería horizontal o en labores de desarrollo en un plano horizontal no se produce movimiento de aire, en minas profundas, la dirección y el movimiento del flujo de aire, se produce debido a las siguientes causas: diferencias de presiones, entre la entrada y salida. Diferencia de temperaturas durante las estaciones (Ramírez, 2005).

Ventilación mecánica 
Es la ventilación secundaria y son aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan áreas restringidas de las minas subterráneas, empleando para ello los circuitos de alimentación de aire fresco y de evacuación del aire viciado que le proporcione el sistema de ventilación general. 

El caudal de aire es la cantidad de aire que ingresa a la mina y que sirve para ventilar labores, cuya condición debe ser que el aire fluya de un modo constante y sin interrupciones, el movimiento de aire se produce cuando existe una alteración del equilibrio: diferencia de presiones entre la entrada y salida de un ducto, por causas naturales (gradiente térmica) o inducida por medios mecánicos (Ramírez, 2005).

Zona de estudio
En el presente informe de investigación, la zona del estudio se ubica dentro del Altiplano Potosino, localizado a 187 km al norte de la ciudad de San Luis Potosí, en el estado del mismo nombre y en el municipio de La Paz, a 8 km al poniente de la ciudad de Matehuala. Sus coordenadas geográficas con respecto al meridiano de Greenwich tomando cuatro puntos como referencia son; al Norte, el primero con coordenadas 100° 43’ 18” W, 23° 43’ 31” N; el segundo 100° 40’ 18” W, 23° 40’ 31” N; al sur, el tercero con coordenadas 100° 40’ 18” W, 23° 37’ 44” N.

 Metodologia
Levantamiento Topográfico 
Se entiende por levantamiento Topográfico al conjunto de actividades que se realizan en el campo  con el objeto de capturar la información necesaria  que permita determinar las coordenadas  rectangulares de los puntos del terreno, ya sea directamente o mediante un proceso de cálculo, con  las cuales se obtiene la representación gráfica del terreno levantado, el  área y volúmenes de tierra cuando así se requiera; (Torres y Villate, 2001) lo resumen como “el proceso de medir,  calcular y dibujar para determinar la posición relativa de los puntos que conforman una extensión  de tierra”. En los últimos años, la aparición de los levantamientos por satélite que pueden ser operados de día o de noche (Wolf y Ghilani, 2009) han resultado de suma utilidad en las obras mineras.

Cálculos topográficos 
El procedimiento utilizado para el levantamiento topográfico fue el de poligonal secundario, el cual es realizado en ramificaciones de las galerías principales donde sus características de forma y dimensiones no permiten emplear algunos equipos de medición, razón por la cual se emplean equipos de menor tamaño como brújulas mineras, eclímetros, cintas y equipo menor.

Se iniciará la toma de datos desde el punto poligonométrico más cercano perteneciente a la poligonal primaria con la toma de su último alineamiento, el procedimiento se apoyará por medio de plomadas suspendidas, cintas métricas (las cuales permitirán la toma de distancias), declinómetros, nivel de mano, brújula, verificación de horizontalidad y materialización de los vértices secundarios.

Existen diversas consideraciones que deben realizarse, una de estas son el cálculo de errores en medición de distancias, usualmente estos se presentan cuando se usa equipos ópticos y son establecidos principalmente por las casas fabricantes de los equipos topográficos. Para esto se utiliza la siguiente expresión:

                                                             (1)

donde m es la hipotenusa del triángulo, α es el ángulo entre la horizontal y la visual leída y ß es el ángulo formado entre la horizontal y el campo visual. Finalmente se tiene un error total con la sumatoria de los errores:

                                                 (2)

donde e_v corresponde al error de medición en la distancia por el equipo expresada en mm  ppm. e_e hace mención del error en mm del estacionamiento del equipo sobre trípode o soporte nivelante y el parámetro e_s es el error en mm del estacionamiento del prisma sobre un trípode o jalón.

Otros factores importantes para considerar son la altimetría, la nivelación geométrica de puntos con ubicación de miras desde la parte superior. Este método utiliza un punto medio en que se ubica el equipo de medición y desde el cual se tiene visual a los dos puntos equidistantes que pueden estar materializados o señalados, de los cuales se requiere determinar su desnivel (Martin, 2007).

Se realiza la lectura de desniveles de dos puntos dentro de la estructura, donde las miras de medición se ubican desde la parte superior con el punto cero adherido al techo. Teniendo la altura de un punto, calculamos el desnivel hallado entre los dos puntos equidistantes (Ecuación 3)

                                                       (3)

Luego obtenemos la altura del otro punto con aplicación del desnivel encontrado.

donde ΔN es el desnivel entre puntos; H_B hace mención a la distancia del techo a punto B; H_A se refiere a la lectura distancia del techo a punto A; Z_A es la altura de punto de referencia y Z_B será el valor de la altura de punto observado.

Marcaje del área
La delimitación del área comenzó con el desmonte del lugar en donde se encontrarán las instalaciones como lo son maquinaria, tubería, herramienta, etc. La superficie del terreno en donde se instalará es de área, esta área se encuentra dentro de la zona de interés. Una vez que se delimitó el área del lugar con ayuda del software AutoCad se plantearon las coordenadas del punto de rompimiento, (4728.200, 9128.984, 1922.710), ahí mismo de plantearon los vértices del área donde posteriormente se encontrará la máquina Robbin´s, dando un área de 64m², (Figura 2),

Método Raise Boring
El método Raise Boring consiste principalmente en la utilización de una máquina electrohidráulica en la cual la rotación se logra a través de un motor eléctrico y el empuje del equipo se realiza a través de bombas hidráulicas que accionan cilindros hidráulicos. Básicamente la operación consiste en perforar, descendiendo, un tiro piloto desde una superficie superior, donde se instala el equipo, hasta un nivel inferior.

Posteriormente se conecta en el nivel inferior el escariador el cual actúa en ascenso, excavando por corte y cizalle, la chimenea, al diámetro deseado (Figura 3). Dependiendo de las características del equipo el motor eléctrico puede ser de 150 HP a 500 HP, este rango de potencias irá directamente en relación con el diámetro final de escariado y la longitud del pique o chimenea.

En este método de excavación de chimeneas se necesitará contar con dos superficies de trabajo: Al inicio de la excavación, en la parte superior y al final de la excavación en la parte inferior.  Es decir, el método será aplicable para excavaciones en interior de la mina entre dos galerías o desde superficie a una galería ubicada al interior de la mina. 

Resultados y discusiones
Ligas con levantamiento Topográfico
Los datos obtenidos en la medición de fichas mediante las ligas topográficas se presentan en tablas en donde son leídas las coordenadas para plasmar una visualización en los planos 3D por el software Datamine. 

Los levantamientos de obras deben realizarse en forma periódica tratando de tener lo más actualizada posible la obra, es por ello por lo que realizar los levantamientos puede ayudar a saber el avance de proyecto en un turno o varios turnos dependiendo la producción. Una vez realizado el levantamiento es necesario dibujar mediante el software Datamine para visualizar los avances en 3D. Esto permite mantener avances lineales, conocer los volúmenes de tumbe, así como de producción, saber si los pisos nuevos coinciden con los ya establecidos y con ello saber si las obras mantienen el mismo nivel. 

Conclusiones

Del trabajo presentado acorde a la metodología implementada, las siguientes conclusiones pueden ser enunciadas: 

• Los métodos modernos de construcciones de pozos de ventilación son mucho más eficientes en muchos aspectos, como lo son: la seguridad de los trabajadores, los costos de inversión son mucho menores, y el tiempo. Gracias a estos métodos el tiempo de desarrollo es mucho menor que el llevar a cabo con métodos tradicionales.
• El haber llevado un seguimiento de desarrollo en esta obra minera, implica desarrollar una metodología de trabajo y organizacional, para así garantizar la disminución en la tasa de accidentes, demoras en los trabajos, así como el desgaste excesivo de los equipos. Manteniendo esta premisa, se logró la elaboración de los pozos Robbin’s con un tiempo de 7 meses, prácticamente sin inconvenientes.
• El no considerar estudios previos para tener información geológica de las áreas en que se puede llevar a cabo un proyecto puede llegar a complicar cualquier obra. Esto debido a que las horas de paro pueden aumentar, debido a inconvenientes como ruptura o bajo rendimiento de la barrenación diamantina, aumentar la tasa de accidentes y disminuir el porcentaje de avance.
• El uso de softwares para interpretar y modelar los puntos topográficos medidos y digitalizar planos de minas antiguas presentes en las zonas de interés ayuda a poder reaccionar ante cualquier inconveniente y reducir el tiempo de obra en mina, reduciendo costos y hora hombre.
• La disminución de la concentración de gases perjudiciales para la salud y seguridad de los trabajadores, redujo hasta en un 80% en las áreas en las cuales se desarrollaron los pozos.

Referencias

• Gastañaga, A., 1963. Control de Contaminante Polvo en Minas y Plantas Concentradoras. Lima-Perú: MINSA.
• Martin, A. G., 2007. Ampliación de topografía minera. Apuntes de asignatura.  Ampliación de topografía minera, 1, 132. (A. G. Martin, Recopilador) Cartagena, España:  Universidad Politécnica de Cartagena.
• Ramírez H., J. 2005. Ventilación de Minas. Módulo de Capacitación Técnico Ambiental. Chaparra Perú).
• Souza, E., 2011. Fracciones Inhalable, Torácica y Respirable. CNNT, España: Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo.
• Torres Nieto, A., & Villate Bonilla, E., 2001. Topografía (4a ed.). Pearson Education.
• Wolf, P. R., & Ghilani, C. D., 2009. Topografía (Undécima edición., Vol. 11a). Alfaomega Grupo Editor S.A. C.V., México.

1. Ingeniería de Minerales de la Coordinación Académica Región Altiplano de la UASLP Carretera Cedral km 5+600, Ejido San José de las Trojes, Matehuala, S.L.P. C.P. 78700, Matehuala, San Luis Potosí.
2. Instituto de Metalurgia de la UASLP, Sierra Leona #550, Lomas 2a Sección, C.P. 78350, San Luis Potosí, San Luis Potosí

*jonatan.andrade@uaslp.mx