Evaluación del sistema de ventilación de Mina Colquechaquita

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1 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 m 3 /s ( p 3 /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, CH- 3S, de 6.25m 2 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 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 N, 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 6.25m 2 de sección) en el sector sud del yacimiento. Esta chimenea fue construida por la empresa con el objeto de mejorar la eficiencia del sistema de ventilación y llegar con aire fresco a los niveles inferiores a más de 300 m de profundidad. Figura 1. Bocamina principal de la mina Colquechaquita, Potosí, Bolivia 577

2 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 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 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. Figura 2. Red actual de ventilación - Vista desde el sur 2.2 Trabajos Preliminares 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 p 3 /min (cfm). Considerando la potencia del ventilador y el caudal impulsado, el consumo específico de energía (hp/kp 3 /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 m 2 ). En un sistema óptimo el consumo específico es generalmente igual o menor a 2. Cuadro 1. Resumen de Entradas y Salidas de Aire Descripción de la Labor Área m 2 Caudal, p 3 /min Entradas Ingreso, Nivel Cero Chimenea CH-3S Salidas Chimenea de relleno Chimenea CH-2S Total 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 p 3 /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 578

3 generados durante una jornada de trabajo. El detalle de estos requerimientos es presentado a continuación Caudal por Número de Personal Este caudal fue estimado sobre la base de 212 p 3 /min [1] y un total de 55 trabajadores por turno. Q personal = 212 * 55 * 1.1 = p 3 /min (cfm) 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 ( 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 p 2. 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: Q explosivos = 2111 m 3 /min = p 3 /min. Tomando en cuenta un factor de seguridad de 1.1, el caudal requerido por explosivos es de p 3 /min. Considerando que el caudal mayor obtenido es por el consumo de explosivos, para el diseño de la red se toma este valor de p 3 /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. 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 pie 2 x132 p/min. * 6 frentes = p 3 /min. Considerando un factor de seguridad de 1.1, se tiene un caudal total de: Q dilución = p 3 /min 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 % 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 [m 3 /min] (1) A = Cantidad de explosivos en kg. a = 0.04 m 3 de productos tóxicos generados por la explosión de un 1 kg de explosivo MAC = Valor limite permisible, 0.008% t = 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: 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 p 3 /min - Caída de Presión: 5.5 pulg. H 2 O - Potencia : 100 hp 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

4 4500 msnm. Para las condiciones actuales de la mina, trabajando en la curva de 28º, a una presión de 3.6 pulg. H 2 O arroja un caudal de p 3 /min este resultado se muestra en la Figura 4. Cuadro 2. Distribución de caudales proyectados Descripción de la labor Área Caudal, p 3 /min m 2 Entradas Salidas Acceso nivel cero Chimenea de Relleno Chimenea CH-2S Chimenea de Servicios Chimenea CH-3S Total Figura 4. Curva de operación del ventilador Cirigliano 48 J en la curva 28º a una densidad de 0.75 kg/m 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 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: Figura 5. Curva de operación del ventilador Spendrup trabajando en la curva 3 La Figura 6 muestra cuatro curvas características del ventilador Spendrup para una densidad del aire de 0.75 kg/m 3. De estas, La curva # 3 fue elegida para este proyecto. Caudal Presión Potencia = p 3 /min = 5.5 pulg. H 2 O = 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 para condiciones del nivel den mar (0.75 kg/m 3 ). 580

5 4 Costos del Sistema de Ventilación 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 $ (Cuadro 3) Cuadro 3. Costo de instalación de ventilador principal*. Ítem Actividad Costo, $ Observación 1 Obras civiles Fundaciones y protección 2 Instalación Transformador eléctrica y cableado 3 Accesorios Difusor y silenciadores 4 Imprevistos (5%) Costo Total, $ * Estos valores fueron tomados de otra unidad donde se realizó este tipo de trabajo. 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 $ kw-hr. En base a estos datos, el costo mensual de operación del ventilador primario es: - 1 Ventilador primario de 100 hp - costo unitario de energía $ kw-h - 26 días de operación Costo (primario) = 125*0.9 * * 24 * 26 = $ /mes 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 Costo (secundario) = 120*0.9*0.048*24*26*0.75 = $ /mes Costo total (primario + secundario) = $ 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) 5 Conclusiones y Recomendaciones 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 p 3 /min se requiere de un ventilador de por lo menos p 3 /min de caudal a una presión de 5.5 pulgadas de H 2 O. 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 p 3 /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: 1 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 CH- 3S, con esta reubicación se cubrirá el caudal hasta p3/min. 2 Equipar la chimenea CH-3S con un ventilador como extractor con las características descritas en la modelación Caudal: 82,500 p 3 /min, Presión: 5.5 pulg. H2O, esta instalación permitirá llegar con el caudal requerido hasta los últimos niveles proyectados (solución de mediano alcance.) 3 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. 4 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. 581

6 5 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. 6 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. 7 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. 8 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., Ventilación de Minas [3] Lock, J., Curso de Ventilación de Minas [4] Luque, V., Manual de Ventilación de Minas [5] Calizaya, F., 2010, Ventilación de Minas. 582