Las razones que justifican el ingreso, movimiento y retorno del aire en las minas subterráneas son muchas, entre los principales tendremos:

• Asegurar la conservación de oxígeno necesario para la vida de los trabajadores.
• Eliminar los gases tóxicos generados durante la voladura.
• Evitar la formación de mezclas explosivas gas-aire.
• Eliminar la concentración de polvo en suspensión.
• Reducir la temperatura en lugares muy calurosos y variarla en lugares fríos.
• Asegurar la dotación de aire suficiente para el desarrollo de las actividades programadas eficientemente.

CAPITULO I

LEYES BÁSICAS DEL AIRE Y MOVIMIENTOS DEL FLUJO DE AIRE

La Ventilación de Minas, es el conjunto de trabajos desarrollados para introducir aire fresco a las labores en operación en interior mina de acuerdo a la demanda o necesidad de aire definidos, en este caso representados, por el personal, equipo diesel y dilución de contaminantes;

• Leyes Básicas del aire:

      Las componentes principales del aire atmosférico puro son Oxígeno y Nitrógeno, conteniendo además porcentajes pequeños de gases raros (Argón, Helio y Neón) así como un porcentaje variable de Dióxido de Carbono. La composición del aire seco puro comprende:

   La cantidad de oxígeno consumido por los seres humanos depende del ritmo al que trabajan, la misma que alcanza generalmente la siguiente caracterización.

      El aire seco inhalado contiene normalmente 20.95% de oxígeno, mientras que el aire  exhalado contiene aproximadamente 16% de oxígeno y 4% de CO2 y vapor de agua.

      La corriente de aire fluye por la diferencia de presiones a lo largo de su recorrido.

• Ley de Boyle y Mariotte

      Si en un cambio de estado la temperatura (T) se mantiene constante, los pesos específicos del gas (
) varían en razón directa de las presiones absolutas (P) y en razón inversa de los volúmenes (V).

• Ley de Gay Lussac

      Si en un cambio de estado la presión absoluta de un gas permanece constante, los volúmenes del gas variarán en razón directa de las temperaturas absolutas y en razón inversa de los pesos específicos.

      Si en un cambio de estado el volumen del gas se mantiene constante, la presión absoluta del gas variará en razón directa de la temperatura absoluta y en razón inversa a los pesos específicos.

      Con el aumento o la disminución de temperatura de 1º desde 0º, el volumen del gas aumenta o disminuye 1/273 de su volumen, por tanto.

      Por la combinación matemática o unión de las Leyes de Boyle y Mariotte y de Gay Lussac se obtiene; la denominada “ecuación general de estado de los gases perfectos”, donde.

Constante

Donde:

R   :         Constante de los gases perfectos:

      =       29.47 para aire fresco y 47.10 para vapor de agua

• Ley de Dalton

La presión de una mezcla de gases y vapor de agua es igual a la suma de las presiones parciales que tendría cada gas por separado estando solo.

P total =

P total

El peso específico del aire (
):

      El peso específico varía con la presión y temperatura. La variación de presión se debe a:

• Diferencia de cotas: Para una diferencia de altura de 100m, la variación de presión es 130 mm de columna de agua, si la diferencia de cotas es de 1000m, la presión varía en 1300 mm de agua.
• Pérdidas de carga: Son variables, usualmente no pasan de unos pocos mm, depende del tipo de instalaciones y sistema empleado. La temperatura cuya variación es del orden de 20º C representa una variación del peso específico en 7% lo que se considera significativo.

En general para diferencias de cotas menores a 200 m, al considerar el peso específico constante, se estará procediendo adecuadamente.

• Ecuación de Bernoulli para los gases reales

      El aire que se mueve por la mina o por un conducto de aire, vence una serie de resistencias H, debido a su roce o contacto contra las paredes de las labores, al roce mutuo de sus partículas, a las resistencias por el cambio de  dirección de la corriente de aire o de  velocidad del movimiento del aire, etc.

      La ecuación de Bernoulli aplicada a gases reales se escribe:

Donde:

: Compresión o depresión producida por un                         ventilador

: Tiro natural producido por la diferencia de presiones de las columnas de aire en las labores verticales o inclinadas.

: Diferencia de presiones dinámicas en la   entrada y salida de la mina, siendo
     coeficientes de energía cinética.

Simplificando:

                                                              

Consiguientemente es posible afirmar lo siguiente:

• El aire siempre se mueve en la dirección de menor presión.
• En la ventilación impelente la compresión producida por el ventilador disminuye durante el movimiento del aire.
• En la ventilación aspirante, la depresión de la corriente de aire aumenta al acercarse al ventilador.
• La presión creada por la ventilación forzada y por la ventilación natural, disminuyen al vencer la resistencia al movimiento del aire.

• Flujos de aire:

La naturaleza de los fluidos depende: la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro del ducto, factores que pueden ser combinados e identificados por un número sin dimensión conocido como el Número de Reynolds (Re)..flujo laminar, intermedio y turbulento.

Caudal de aire:

• Para el personal:

Se utiliza la siguiente relación:

     

Donde:

• n: Número de trabajadores en interior mina.
• q₁   : Cantidad mínima de aire necesario para cada trabajador,

= 3.0 para minas que se encuentran hasta 1500 msnm

= 4.2 para minas que se encuentran entre 1500 y 3000 msnm  

= 5.1 para minas que se encuentren entre 3000 y 4000 msnm

= 6.0 para minas que se encuentren sobre los 4000 msnm

De acuerdo al CIAS (Manual de Fundamentos  de  Higiene Industrial), se inhala 4.3 a 8.0 litros de aire por minuto (en reposo y en ejercicios violentos de corta duración respectivamente).

En las minas del Perú se considera que el trabajador inhala un máximo de 50 lt/min (0.050
) de aire, trabajando moderadamente.

Considerando que la mayor parte de los trabajos en interior mina son de condiciones ambientales diferentes a los trabajos en superficies y asumiendo por exceso que el trabajador, cualquiera sea la cota de trabajo, consume 100 lts/min (0.1
) de aire fresco (en base a estudios del CIAS y otros autores, se tiene lo siguiente:

COTA DE TRABAJO msnm	CAUDAL REQUERIDO POR TRABAJADOR	CAUDAL CONSUMIDO POR TRABAJADOR	CAUDAL NO CONSUMIDO POR TRABAJADOR	PORCENTAJE AIRE FRESCO NO CONSUMIDO POR TRABAJADOR %
Hasta 1500	3.00	0.10	2.9	96.67
1500        a 3000	4.2	0.10	4.1	97.61
3000        a 4000	5.1	0.10	5.0	98.04
4000        a más	6.0	0.10	5.9	98.33

Cuadro que muestra que el trabajador sólo consumirá el 3% del volumen de aire fresco que realmente se le abastece.

Realizando un análisis de abastecimiento/consumo (oferta/demanda) de aire fresco para una mina que se encuentra entre 0 y 1500 msnm, se tiene:

El abastecimiento normado es de 3
 (3000 lt/min) por trabajador.

En este caudal, el contenido de oxígeno, elemento vital para el organismo, es aproximadamente la quinta parte, es decir 0.6 m³ (600 lt/min).

Sintetizando:

0-1500 msnm	1500-3000 msnm	3000-4000 msnm	4000-a más msnm
ABASTECIMIENTO AIRE FRESCO lt/min	3000	4200	5100	6000
CONTENIDO DE OXIGENO lt/min	600	840	1020	1200
Consumo de oxigeno por trabajador lt/min	141.78	198.49	241.03	283.56

• Para los equipos diesel autorizados:

Donde:

• 3: Cantidad de aire circulante por cada HP que desarrollen  (m3/min).
• P: Potencia o HP de placa desarrollados por el total de vehículos diesel
• %: Porcentaje de corrección de la potencia por altura de trabajo. La potencia 1% por cada 100 metros de altura de trabajo.

• Para Dilución de Contaminantes:

Requerimientos adicionales de aire fresco a tenerse en cuenta en minas en que los agentes contaminantes presentes en el ambiente de trabajo pueden causar molestias o daños a la salud. Teniendo en cuenta el alto costo de ventilación existentes en determinadas minas, en algunos casos es opcional, la relación utilizada al respecto comprende:

 

Donde:

• A = Sección media de los conductos (galerías, chimeneas, rampas, ductos, etc.) por donde realmente circula el aire con fines de ventilación,      m².

• a = Ancho medio del conducto,  m
• h = Altura media del conducto,  m
• feg = 0.8 (cuando se deja mucho mas mineral de lo programado in situ en el techo y cajas, dejando una sección muy irregular y fuera de estándares por defecto), 0.9 (cuando se deja la cantidad de mineral conveniente en el techo) y 1.1 a 1.2 (cuando se rompe más mineral de lo programado en cajas y techo, dejando una sección muy irregular y fuera de estándares por exceso).
• V = Velocidad del flujo de aire en los conductos 20 a 250 m/min. cuando se utiliza dinamita. Mayor de 25 m/min. cuando se utiliza ANFO
• N = Número de niveles en operación o por donde circula continuamente el personal.

               Cota         4,360  msnm

               Sección de las labores            

Galerías                  2.10*2.30*0.9=4.35 m²

Tajos                       3.00*2.50*0.9=6.75 m²

Chimeneas              1.50*1.50*0.9=2.03 m²

Rampas                  3.50*4.00*0.9=12.6 m²

Promedio:               25.73/4         = 6.43 m²

                                               Explosivo utilizado                 Dinamita

               Hallar los requerimientos de aire

Solución:

Q₁ = 6 * 197 trabajadores                                                      = 1,182

Q₂ = 3 * 720 – (720 * 0.436)                

= 1,218

Q₃ = 6.43 m²*20 m/min * 3 niveles      

= 385.8

                               TOTAL   = 2,689

• Para minas de carbón:

La denominación minas de carbón, comprende las de carbón propiamente dicho y las de todo combustible mineral sólido. Para el caso se realiza el requerimiento de aire teniendo en cuenta las siguientes relaciones.

• Para minas de carbón con alto contenido de gas grisú:

Se aplican las siguientes relaciones de importancia.

• Según el consumo de explosivos:

Se tiene la siguiente relación a aplicarse.

  

Donde:

• A = Cantidad de explosivo por disparo,     kg
• B = Volumen convencional de CO generado por 1 kg de      Explosivo,  40  lt.
• t = Tiempo de ventilación; 30 minutos en voladuras  

Convencionales y 480 a 1,200 min en voladuras masivas.

• Según la producción de Carbón:

Para el caso se aplica la siguiente relación:

  

Donde:

• q = Caudal de aire fresco requerido por la mina en
  

   por cada   m³ de mineral extraído de acuerdo a la siguiente categoría de la mina.

Categoría de la mina	Desprendimiento de Grisú en m3 de gas por m3 de mineral extraido	Caudal de aire requerido
I	Hasta 7 m3	1.4
II	7 a14 m3	1.75
III	14 a 21 m3	2.10
IV	Más de 21 m3	Debe ser tal que el contenido de CH4 en la corriente de salida no exceda de 7500 ppm y el Caudal de aire requerido debe ser mayor que 2.10

T = Producción por día  de carbón,   m3

b = Coeficiente de irregularidad de la producción. Oscila de 1.05 a 1.15.             

• Según el desprendimiento de gas grisú:

Se tiene la siguiente relación a utilizar.

   

                Donde:

• V = Volumen por día de gas desprendido por el carbón,     m³
• C = Límite permisible del gas grisú,  0.50 % dato particular del Perú.