A medida que las minas se hacen más profundas y más calientes, con más vehículos operados con motores diesel en uso, los sistemas de ventilación necesitan un cuidadoso diseño y sintonización. Equipo Minero analiza algunas de las oportunidades y la necesidad crítica de un enfoque responsable para el suministro de aire fresco.

Equipo con motor diesel ubicado al interior de Garpenberg, donde la instalación de un sistema de control ABB redujo al 40% los costos de la energía de ventilación. (Fotografía cortesía de Boliden)

Durante la presentación de uno de los discursos de apertura en la 35ta Conferencia Internacional de Seguridad en Institutos de Investigación de Minas, realizada en Londres en octubre, Stewart Bell entregó un espeluznante relato de la tragedia en la mina de carbón Pike River en Nueva Zelandia en noviembre de 2010. Bell, el comisionado de seguridad y salud de minas en el Departamento de Recursos Naturales y Minas de Queensland, fue miembro de la Comisión Real de Investigación establecida por el gobierno de Nueva Zelandia para investigar el accidente y para hacer recomendaciones sobre las futuras prácticas en materia de tecnología y supervisión legal.

En resumen, las conclusiones de la comisión fueron alarmantes. Una serie de factores habían contribuido a las explosiones de gas metano que destruyeron la mina nueva y costó 29 vidas. Y un factor clave para el desastre fue el mal diseño y operación del sistema de ventilación.

Tanto las minas de carbón como las minas de roca dura necesitan redes de ventilación que proporcionen suficiente cantidad de aire fresco, aunque a veces sea para diferentes propósitos. Las minas de carbón subterráneas, las cuales utilizan normalmente más equipos eléctricos, dependen de una ventilación confiable no sólo para proporcionar aire fresco, sino también para eliminar el calor y mantener el gas metano a niveles por debajo del 5% del límite inferior de ignición.  En cambio el uso de máquinas con motores diesel es más generalizado en las minas de roca dura, por lo que los sistemas de ventilación en este medio ambiente tienen que proporcionar suficiente oxígeno para el rendimiento eficiente de los motores, así como para eliminar el calor y los gases de escape. Los sistemas de ventilación para roca dura deben ser diseñados además para eliminar los gases tóxicos de las voladuras con rapidez y eficacia y, ya las minas se hacen más profundas, estar cada vez más integrados con los sistemas de refrigeración que ayudan a proporcionar un ambiente de trabajo aceptable tanto para el personal como para el equipo.

Según el proveedor de sistemas ABB, la ventilación puede absorber aproximadamente el 30% de la demanda total de energía de una mina subterránea. Otros expertos consideran que la cifra es aún mayor. Es fácil de ver, entonces, que al continuar aumentando los costos de la energía, existe un interés cada vez mayor en la posibilidad de hacer sistemas de ventilación a la medida para lograr un rendimiento óptimo al menor costo posible, un complejo acto de equilibrio entre proveer un lugar de trabajo seguro y mantener los costos bajo control. Como resultado, los sistemas de modelación de la ventilación son cada vez más sofisticados, con capacidad para diseñar y modificar las redes, así como para tener en cuenta los efectos externos tales como los incendios o las restricciones repentinas del flujo de aire.

Pike River: Mala Contribución de la Ventilación
En su discurso en la conferencia de Londres, Bell dijo que el sistema de ventilación en Pike River era inadecuado. La veta donde se estaba trabajando era conocida por larga experiencia en otras minas por ser gaseosa, aunque la empresa operadora había instalado una red de drenaje de gas metano, en el caso de que no resistiera en la entrada.

Por otra parte, Bell señaló que había un déficit en el volumen de ventilación, y a pesar de que la empresa ya había sido advertida de su insuficiencia, la corrección aún no se había realizado cuando ocurrieron las explosiones. La situación era tal, dijo, que una mina subterránea gaseosa se estaba operando sin contar con un monitoreo de ventilación fiable, y con un funcionario a cargo de la ventilación que no estaba calificado para hacerlo.

El Informe de Pike River (Ver p.34) identifica algunos de los problemas indicados por la Comisión Real de Investigación. En esencia, Bell dijo, las operaciones en Pike River se habían degenerado hasta el punto en que se hizo normal para las personas trabajar en condiciones peligrosas. “Si te acostumbras de esta forma, tarde o temprano sufrirás las consecuencias,” añadió. Y así pasó.

Lo que se desprende del informe de la comisión es que la mala ventilación no fue la única causa del desastre, pero fue un factor que contribuyó de forma significativa. Si el ventilador principal hubiera estado en la superficie, y hubiera sido capaz de ser reiniciado después de la primera explosión, la atmósfera en la mina podría haber sido menos tóxica, y tal vez la siguiente explosión no hubiera ocurrido.

Partículas del Diesel: Un Problema Creciente
En cuanto a la minería de roca dura, una de las principales áreas de mayor preocupación ha sido el efecto que el material particulado del diesel (DPM) puede tener en la salud humana. Es evidente que existe un vínculo entre la salud y la seguridad por un lado, y los requisitos de la ventilación por el otro, por lo que el DPM se ha convertido en un tema de discusión común en las conferencias sobre ventilación en todo el mundo.

Sara Fernández, quien trabaja en medio ambiente, salud, seguridad y capacitación para el contratista minero, Barminco, presentó un paper sobre el DPM en la conferencia sobre Ventilación de la Minería de Roca Dura realizada en la ciudad de Perth, Australia Occidental, el pasado mes de febrero. En una entrevista previa a la conferencia, ella señaló que al reclasificar el diesel como un carcinógeno 1A en 2012, este cambio despertará mucho más interés en las empresas mineras para mejorar las normas.

En 2010, Barminco comenzó un estudio a DPM para comprender los mecanismos y controles asociados con su producción y distribución en el ambiente subterráneo.  

Desde entonces la empresa ha creado un plan de gestión completo para sus lugares de trabajo, el cual reúne los tres problemas fundamentales en la gestión del DPM: ventilación, creación y control de emisiones y monitoreo de la exposición personal.

En su paper presentado durante la conferencia, Fernández explicó que el escape de diesel, al estar compuesto por una mezcla compleja de gases y partículas, produce emisiones de partículas de diesel que tienen el potencial de causar efectos adversos en la salud. El DPM se comporta de manera similar a los gases circundantes, dijo, pero permanece mayor tiempo en la atmósfera de una mina. Desde el punto de vista de la salud personal, gran parte de las partículas contaminantes se depositan en las vías respiratorias, donde las partículas más finas (por debajo de 1,1 µm de tamaño) penetran profundamente las regiones del pulmón humano.

El actual nivel seguro de exposición al DPM designado por Australia es de 0,1 mg/m3, indicó Fernández, antes de presentar algunos resultados del monitoreo de exposición en las minas subterráneas en el oeste de Australia. Informé que casi el 50% de todos los empleados monitoreados estaban por sobre el promedio de tiempo ponderado (PTP) recomendado de 0.07 mg/m3, con profesiones tales como operadores de cargadores de transporte y descarga en minería subterránea (LHD), operadores de maquinarias jumbo, cargadores, equipo de servicio y jefes de turno, donde todos tienen más de la mitad de los trabajadores en cada categoría con exposiciones por sobre el PTP recomendado.

Modelación de los Sistemas de Ventilación
Con el fin de obtener una visión general de las capacidades actuales de la modelación de la ventilación, Equipo Minero habló con Craig Stewart, director del proveedor de software australiano, Chasm Consulting, quien lanzó la versión 1.0 de su paquete 3-D Ventsim Visual en 2009. La última actualización, versión 3.2, ofrece una amplia gama de características del diseño de ventilación, indicó, incluyendo la modelación del flujo y presión de aire, predicción de calor y humedad, análisis financiero y predicción de los mejores tamaños para túneles y pozos, modelación de partículas de diesel, simulación de gas e incendio y simulación de radón y polvo.

Modelación 3-D del sistema de ventilación de Tolukuma mediante el software Ventsim.
Modelación 3-D del sistema de ventilación de Tolukuma mediante el software Ventsim.

Stewart le dijo a Equipo Minero que el software está diseñado para aceptar los planos nuevos y existentes de la mina y, luego, permite al usuario crear planos de ventilación 3-D alrededor del diseño de la mina, insertando ventiladores, controles de ventilación, equipos diesel y una variedad de otros dispositivos que influyen en la ventilación. El resultado final es un modelo que se ajusta a las actuales condiciones de ventilación subterránea, dijo, y permite realizar predicciones a futuro de las condiciones de ventilación y los requisitos a medida que la mina se expande y cambia.

Según Stewart, Ventsim Visual es utilizado ahora por alrededor de 1.000 minas en 30 países y está disponible en cuatro idiomas. Además, se utiliza para fines de educación en más de 40 universidades y en decenas de organizaciones de investigación y consultoría, dijo.

Una mina que Chasm Consulting asistió utilizando Ventsim Visual fue Tolukuma en Papua Nueva Guinea. Todo tiene que ser transportado por helicóptero a esta remota operación de oro, incluyendo los suministros básicos como el diesel.   

El sistema de ventilación en Tolukuma estaba funcionando mal, con condiciones de calor y humedad al interior de la mina, y tiempos prolongados para la eliminación de los gases tóxicos de las voladuras. Chasm pasó varios días modelando el sistema de ventilación de la mina en 3-D, para mostrar con el software que en gran parte de la mina había aire de recirculación y que el aire fresco no llegaba a sus zonas más profundas con eficacia. Además, la recirculación estaba causando la lenta eliminación de los gases tóxicos de las voladuras  Por último, el software mostró que los ventiladores principales estaban funcionando a un nivel de eficacia muy bajo debido a su diseño.   

El software permitió que controles de la ventilación fueran posicionados y probados en teoría para eliminar la recirculación. Además, debido a que el costo de la energía generada a diesel en la mina era tan elevado, el software recomendó ventiladores más adecuados que ahorrarían cientos de miles de dólares al año en costos de energía y aportarían un mejor flujo de aire. Una vez que el modelo demostró las mejoras previstas, se puso en acción un plan para resolver los problemas, dijo Stewart a Equipo Minero.

La Recirculación Puede Ahorrar Energía
En Tolukuma, la recirculación era claramente un problema que debía resolverse. En otros casos, sin embargo, la recirculación puede utilizarse como una ventaja, según describe el Dr. Steven Bluhm y sus co-autores en un paper presentado este año en la conferencia de Ventilación de las Minas Australianas, organizada por AusIMM.

Modelo final del sistema de ventilación de Resolution creado mediante el software VUMA. El color azul muestra las zonas a 20°C (bulbo húmedo) y el rojo indica 30°C.
Modelo final del sistema de ventilación de Resolution creado mediante el software VUMA. El color azul muestra las zonas a 20°C (bulbo húmedo) y el rojo indica 30°C.

Su paper describe las mejoras que se habían realizado en la mina de potasa subterránea del Vale do Taquari en el estado de Sergipe, Brasil. La mina en cámaras y pilares opera principalmente barrenos y carros transportadores eléctricos continuos, a profundidades de 450 m – 700 m.  

Las temperaturas de la roca virgen son altas, alcanzando 50°C a una profundidad de 700 m, mientras que el tamaño relativamente pequeño del sistema de pozos impone limitaciones a su capacidad de transporte de ventilación. En consecuencia, el sistema de ventilación era insuficiente para permitir a la mina trabajar en todo el yacimiento.

Según Bluhm, CEO de los especialistas de ventilación de Sudáfrica, BBE® Consulting, y sus colegas, el  límite de la ventilación fue sobrepasado al instalar dos sistemas de recirculación a gran escala con centros de reacondicionamiento subterráneos. Este ha sido operado de manera segura durante unos 10 años, mientras que el uso de la recirculación ha sido clave tanto para incrementar la producción como para ampliar adicionalmente la explotación de los pozos.

El sistema de ventilación de la mina fue modelado usando el software VUMA para simular diferentes estrategias de ventilación, recirculación y refrigeración. La solución que se adoptó involucra un sistema de recirculación principal ubicado cerca de las bases de los pozos, lo cual es referido por los autores como un sistema de “recirculación dentro de recirculación” en la sección norte de explotación.

También señalaron que el concepto de usar la recirculación no es nada nuevo, y que varios sistemas a gran escala ya están en funcionamiento en las minas de Sudáfrica, con aire de retorno que es depurado y enfriado en cámaras de pulverización con agua refrigerada antes de ser reinyectado en la corriente de entrada de aire principal. En Taquari, el sistema usado actualmente satisface una ventilación de 560 kg/s, la cual es 87% mayor que los 300 kg/s realmente disponibles a través del pozo de entrada de aire fresco.

A principios de este año, el Software VUMA lanzó la última versión de su paquete de Red VUMA-3D basado en Windows para el control de la ventilación, refrigeración y medio ambiente de las minas de roca dura. VUMA, explicó la empresa, significa Ventilation of Underground Mine Atmospheres (Ventilación de Atmósferas de Minas Subterráneas), y ha sido desarrollado específicamente para ayudar en problemas de ventilación, calor y polvo en minas a gran profundidad de Sudáfrica.

La Red VUMA resuelve interactivamente la distribución del flujo de aire, los contaminantes y la temperatura a través de un circuito de ventilación y red de refrigeración.  El algoritmo de la solución implica el uso de aire comprimible y utiliza cálculos termodinámicos completos, indicó la empresa, con el procesador de soluciones del paquete el cual contiene algoritmos de modelación especializados para las graderías y el desarrollo que abarca los yacimientos estrechos y los cuerpos mineralizados masivos, así como las minas de carbón subterráneas. El software puede ser utilizado como una herramienta de planificación y como un medio para verificar los parámetros del rendimiento ambiental en las minas en operación.

Desafíos que Enfrenta Resolution
Bluhm también es coautor de otro paper presentado en la conferencia de AusIMM, celebrada en la ciudad de Adelaida al Sur de Australia, en el mes de julio. En lugar de informar sobre un proyecto finalizado, este anticipa los futuros requisitos de ventilación para poner en marcha la enorme mina de cobre Resolution.

A principios de este año, Atlas Copco presentó la opción de un motor Cummins Tier 4i para su Scooptram ST7, en un intento por reducir las emisiones y el consumo de combustible, lo cual se traduce en un medio ambiente más saludable y menores costos de ventilación.
A principios de este año, Atlas Copco presentó la opción de un motor Cummins Tier 4i para su Scooptram ST7, en un intento por reducir las emisiones y el consumo de combustible, lo cual se traduce en un medio ambiente más saludable y menores costos de ventilación.

Situada cerca de la antigua mina Magma en el sur de Arizona, Resolution está siendo evaluada actualmente por Rio Tinto y BHP Billiton. La operación se está planificando como un productor de mineral de 120.000-mt/d, en base a un yacimiento profundo de pórfidos de alta ley. Los retos específicos incluyen la profundidad, con las principales galerías de transporte a más de 2.000 m por debajo de la superficie, la alta temperatura de la roca virgen (más de 80°C) a dicha profundidad, y el alto contenido de sílice de la roca. Los diseños actuales prevén el uso de cargadores de producción y equipos de transporte eléctricos, con máquinas diesel equipadas con la más reciente tecnología de motores y acondicionamiento de gases de escape por sobre las especificaciones OEM.

Los autores señalaron que “todos los vehículos diesel serán operados de acuerdo a un plan de control de DPM específico al sitio, basado en el riesgo evaluado, así como un programa de mantenimiento en base a las emisiones, incorporando pruebas de emisión de escape regulares para identificar los problemas en forma proactiva.” La carga térmica total asociada con la flota minera ha sido estimada en unos 16 MW, con 6 MW adicionales generados por los equipos de infraestructura, tales como los ventiladores, compresores de refrigerante, trituradoras y así sucesivamente. Además, el aporte térmico al circuito de ventilación producto de las rocas fracturadas, de alrededor de 30 MW, será muy importante.

Una vez más, el software VUMA ha sido utilizado para modelar el sistema de ventilación propuesto para Resolution, lo que indica que las necesidades de la mina serán considerablemente mayores que el promedio existente para otras operaciones de hundimiento en bloques o panel. En resumen, el modelo ha demostrado que la mina necesitará 3.120 kg/s de aire de entrada refrigerado, con una capacidad de refrigeración superior a 140 MW en los enfriadores de aire situados tanto en la superficie como en el subsuelo.

Suministro de la Ventilación Requerida
Una forma de manejar la ventilación de manera responsable es instalar un sistema de control automático que aumentará los flujos de aire locales en función de las necesidades. ABB ofrece su plataforma de Sistema 800xA para controlar la ventilación subterránea, además de aplicaciones tales como las bombas, tornos de extracción y chancadoras. La empresa declaró que el sistema de ventilación de su mina optimiza el uso de la energía de ventilación y proporciona además aire fresco donde es necesario, con flujos de aire que pueden ser controlados por sistemas como los sensores de la calidad del aire, cronogramas y la presencia o ausencia de los vehículos.

Ventiladores principales de flujo axial en la mina de carbón Kriel en Sudáfrica. (Fotografía cortesía del Dr. Steven Bluhm).
Ventiladores principales de flujo axial en la mina de carbón Kriel en Sudáfrica. (Fotografía cortesía del Dr. Steven Bluhm).

ABB da el ejemplo de su sistema de control, el cual se está utilizando en las minas Kristineberg y Garpenberg de Boliden en Suecia. En Kristineberg, la empresa produce minerales polimetálicos a profundidades entre 800 m y 1.300 m, lo cual la transforma en una de las minas más profundas del país. Al programar los ventiladores para que operen a mayores volúmenes sólo en las zonas donde las operaciones activas se están llevando a cabo, como la remoción de escombros de las graderías, Boliden ha sido capaz de optimizar el flujo de ventilación en general de la mina y de reducir los costos de la energía de ventilación en un 30%, indicó ABB.

Cada vehículo utilizado en el interior de la mina tiene un transmisor con un número de identificación único y con ventiladores locales controlados en función del tipo y los requisitos del vehículo. Por ejemplo, donde hay cargadores de trasporte y descarga (LHD) involucrados en la remoción de escombros, los ventiladores funcionan al máximo volumen, con un rebasamiento de la velocidad límite de 14 minutos para eliminar los gases de escape residual, antes de reducir la velocidad automáticamente a un 25% aproximadamente.  

Entretanto, la introducción del sistema de control de ABB en la nueva sección de Lappberget, en Garpenberg en 2009, ha permitido a Boliden reducir el consumo energético de su ventilación en un 40%. Además, ABB señaló que la flexibilidad del control significa que, de hecho, la ventilación en zonas de remoción de escombros activas se puede aumentar por el tiempo que sea necesario, lo que significa que la calidad del aire es mejor de lo que habría sido posible de no ser por ello. En resumidas cuentas, añadió la empresa, Boliden esperaba un período de tres años para recuperar su inversión en la plataforma 800xA en Garpenberg, lograda mediante el ahorro energético de la ventilación y por no tener que aumentar la capacidad de demanda de su red con la expansión de las operaciones en Lappberget.

Se Necesita: Un Método Integrado
En vista de que las minas se hacen más profundas y los requisitos de la ventilación se vuelven más complejos, los operadores de minas tendrán que adaptar sus sistemas para satisfacer estas nuevas demandas. Una solución sencilla consiste en aumentar la capacidad de los ventiladores principales. Sin embargo, esto aumenta el consumo energético y podría no abordar los problemas locales relacionados con la calidad del aire donde hay motores diesel en uso. También puede darse el caso de que el aumento de velocidad en los ductos de aire de entrada y de retorno se vuelva inaceptable.

La alternativa es utilizar mejor los flujos de aire existentes, que es cuando el actual y sofisticado software de modelación revela su verdadero potencial. Estos sistemas no tan sólo modelan flujos de aire, sino que también los efectos del calor, el polvo y otros contaminantes.

Los desarrollos técnicos en el diseño de los motores diesel son también clave para los futuros requisitos de la ventilación. Por ejemplo, Volvo Penta indicó que sus motores más recientes para las máquinas de la minería subterránea ofrecen una demanda de ventilación líder en la industria de 30 cfm/hp aproximadamente, la máxima tasa de ventilación disponible para un motor diesel convencional. El advenimiento de las nuevas tecnologías de depuración sin duda contribuirá a reducir aún más las emisiones de DPM, el quid pro quo es que las minas necesitarán intensificar su mantenimiento para garantizar que todo funcione correctamente durante la vida útil de la máquina en cuestión.

Los incendios son un peligro importante tanto para las minas de carbón como las minas de roca dura. El incendio posterior a la explosión en Pike Río se extinguió sólo mediante el uso de la unidad de inertización GAG modificada, accionada por motores a reacción de Queensland a un costo superior a 1 millón de litros de combustible. El incendio de un camión ocurrido el año pasado en el interior de la mina de oro de Waihi de Newmont, coincidentemente también en Nueva Zelandia, también hizo noticia de primera plana. Debido a que el incendio se desató en la entrada principal, el sistema de ventilación acarreo humo y calor a través de los pozos de la mina, a pesar de que todo el mundo estaba seguro en los refugios subterráneos de la mina.

La ventilación no es algo que se pueda dar por sentado. Como Bell señaló en su discurso en la conferencia, no existen fórmulas mágicas. Las necesidades de la ventilación deben ser entendidas, con sistemas diseñados para manejar todos los desafíos que demanda una mina moderna.


 

Equipo Minero quisiera agradecer a AusIMM y IQPC por proporcionar acceso a las actas de sus respectivas conferencias. La 4ta. Conferencia Anual de Ventilación de Mineas de Roca Dura de IQPC tendrá lugar el 18 – 19 de marzo de 2014, en Perth, Australia Occidental. Para mayor información, ver el sitio www.mineventilation.com.au.