Transcript Ventilação de mina subterrânea
Ventilação de mina subterrânea
(UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)
Tópicos 1.Poluentes de minas subterrâneas 2.Normas para cálculo de necessidades de ar 3.Divisores do fluxo do ar 4.Configurações de sistemas de ventilação 5.Leis da ventilação 6.Ventiladores
7.Controle de ventilação
Referências principais:
Hartman, H.L., Mutmansky, J.M., Wang, Y.J., eds.,1997, Mine Ventilation and Air Conditioning, 3 nd . Ed., John Wiley & Sons, ISBN 0-471-05690-1.
McPherson, M. J., 1993, Subsurface Ventilation and Environmental Engineering, Ed. Chapman & Hall, London. Kennedy, W.R., 1999, Practical Mine Ventilation, 2nd. Ed., Intertec Publishing Corp., ISBN 0 929531-50-7.
Mutmansky, J.M., Ramani, R.V., 1992, “Environmental Health and Safety”, SME Mining Engineering Handbook, 2 nd edition, Vol.1, AIME, N.Y., section 11.
Normas NR-22 e NR-15, Ministério do Trabalho e Emprego, Brasil, 2010.
1.Poluentes de minas subterrâneas
Tarefas principais da ventilação de mina: - suprir de oxigênio homens e máquinas; - diluir gases tóxicos/explosivos e poeiras originadas nas operações de produção; - auxiliar no controle de temperatura e umidade do ambiente.
O sistema de ventilação de mina procura, dentro do possível, reproduzir a composição do ar na superfície.
Composição do ar normal (puro, sêco):
% em volume
Oxigênio 20.93
CO 2 Nitrogênio Argônio 0.03 78.10
0.94
Total 100.00
Estas percentagens serão reduzidas com a presença de vapor d’água no ar, o qual pode chegar a um valor máximo de 4% .
Quanto aos efeitos no organismo humano, os gases e vapores presentes no ar podem ser classificados como:
-
Asfixiantes simples
-
Tóxicos
Asfixiantes simples
São gases fisiologicamente inertes, cujo perigo está ligado à sua alta concentração, pela redução da proporção de oxigênio presente no ambiente. São substâncias químicas que têm a propriedade comum de deslocar o oxigênio do ar e provocar asfixia pela diminuição da concentração do oxigênio no ar inspirado, sem apresentarem outra característica em nível de toxicidade.
Exemplos de substâncias químicas com efeitos asfixiantes simples: etano, metano, gás carbônico (CO 2 ), acetileno, nitrogênio, hidrogênio, etc.
Gases Tóxicos
São gases que mesmo quando presentes em pequenas concentrações, produzem diversos efeitos prejudiciais à saúde.
Um exemplo de gás tóxico é o CO - monóxido de carbono. O CO é um asfixiante químico, produzindo anóxia tissular (baixa oxigenação dos tecidos), interferindo no aproveitamento de oxigênio pelas células.
Na prática da ventilação de minas, não existe a perspectiva de se alcançar uma pureza total do ar, mas sim de atingir-se um grau de pureza, com base na concentração dos contaminantes no ar, que não ofereça riscos à saúde do trabalhador.
- Quais gases devemos medir ?
Isso depende do tipo de mina, minério de interesse e equipamentos utilizados na lavra.
Contaminantes que ocorrem freqüentemente:
CO e CO 2 – combustão incompleta de matéria carbonosa, gases de escape de motores diesel e detonação de explosivos;
NO e NO 2 – formados na detonação incompleta de explosivos e em gases de escape de veículos diesel;
SO 2 – formado na detonação de minérios de enxofre, durante incêndios envolvendo sulfetos (p.ex. pirita), e em gases de veículos diesel.
(Continuação...)
Metano (CH 4 ) – jazidas minerais de origem orgânica (carvão) ou apodrecimento de madeira utilizada em escoramento;
H 2 S – presente em jazidas minerais de origem orgânica (p.ex. estratos de carvão);
NH 3 – liberado na detonação de explosivos à base de ANFO.
Normas para controle de poluentes em mina ...
Cada país estabelece suas próprias normas quanto às concentrações permitidas para contaminantes no ambiente de trabalho.
No Brasil, a norma Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho, NR-15 (NR-15, 115.015-4/I4), estabelece as concentrações permitidas.
LIMITES DE TOLERÂNCIA DO CO
Gás tóxico. O limite de tolerância para até 48 horas semanais de exposição segundo a NR-15 é 39 ppm (43 mg/m3), ou 0,0039% em volume. A Tabela abaixo apresenta os níveis de contaminação em ppm, com os respectivos sintomas.
ppm 50 50 - 100 100 a 200 500 a 1000 1000 a 10000 Sintoma Riscos para a saúde em trabalhos que exijam muito esforço Dores leves de cabeça, dificuldades de respirar após duas horas de exposição Dores de cabeça, dificuldades de respiração, vertigem, diminuição da capacidade visual e vômitos Risco de vida após uma hora de exposição Risco de vida após 3 a 5 minutos
LIMITES DE TOLERÂNCIA DO CO
2
A principal fonte de CO 2 nas minas é o uso de explosivos; o limite tolerável no Brasil segundo a NR-15 é 0,39% em volume ou 3900 ppm. A Tabela abaixo mostra as faixas de contaminação em volume com os respectivos sintomas.
% 1% 2% 5% 6% 10% 20% Sintoma Respiração mais rápida sem prejuízo para a saúde, exposição rápida Respiração duplicada, cansaço rápido Respiração triplicada e dificultada Sensação de falta de ar (apnéia), enfraquecimento Risco de desmaio Risco de vida após poucos minutos
LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA NO
2 Gás tóxico. No Brasil o limite de tolerância é de 4 ppm ou 0,0004% em volume. A tabela abaixo resume os níveis de contaminação com os respectivos sintomas.
Teor (ppm) 2.8 a 5 5 a 10 10 a 20 20 a 30 30 a 35 35 a 54 55 a 120 120 a 200 200 a 300 Sintomas Sem irritações nas vias respiratórias, alterações no sangue possíveis doenças pulmonares Irritação nas vias respiratórias, desaparecimento dos sintomas após adaptação Aumento do teor de hemoglobina Longo período de adaptação mas com todos os riscos descritos anteriormente Irritação forte nas vias respiratórias com tosse, início da intoxicação Após 3 a 5 minutos, angústia no peito Risco de vida após uma hora de exposição Morte
LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA SO
2
NR-15 estabelece como limite de exposição para 48 horas semanais o valor de 4 ppm. É um gás tóxico, incolor, não inflamável, que irrita olhos e garganta mesmo em baixas concentrações.
ppm 3 - 5 20 50 > 700 Sintoma Detectável pelo odor (enxofre) Irritação de olhos, nariz e garganta Pronunciada irritação de olhos, garganta e pulmões Risco de morte em minutos
LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA NH
3
Gás tóxico. A norma NR-15 estabelece como limite de exposição para 48 horas semanais o valor de 20 ppm ou 14 mg/m3.
A exposição aguda à amônia produz lesão tissular. É muito solúvel em água e, portanto, atua na mucosa umedecida das vias aéreas superiores e nos olhos.
LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA H
2
S
Gás tóxico. NR-15 estabelece como limite de exposição para 48 horas semanais o valor de 8 ppm.
A exposição provoca irritação de mucosas, olhos e vias respiratórias. Ataca o sistema nervoso. O sulfeto de hidrogênio é um gás com odor de ovos podres, o que pode denunciar sua presença.
OXIGÊNIO
É um gás que não tem cor, sabor ou cheiro, com densidade de 1,10 em relação ao ar. A NR-22 considera o teor mínimo, que deve estar presente em volume no ambiente de trabalho, como sendo 19%. É considerado risco grave e iminente os valores abaixo deste patamar. Pode-se trabalhar em concentrações abaixo dos 19%, porém correndo riscos à saúde, pois o sangue não absorve plenamente o oxigênio, afetando o sistema nervoso central. Abaixo de 10% existe risco de vida.
METANO (CH
4
)
É um gás combustível (também denominado grisú) que ocorre em jazidas de origem orgânica como as de carvão.
Há casos de ocorrência de grisú em minas metalíferas, decorrentes da presença de estratos ricos em matéria orgânica, situados nos contatos ou nas vizinhanças do depósito mineral, sendo também produzido no processo de apodrecimento de madeira utilizada na mina.
(Continuação...) O metano, no seu estado natural, ocorre confinado nas camadas de carvão, seja na forma de moléculas livres de gás, ocupando poros, vazios ou fissuras, por efeito de adsorção nas superfícies destas cavidades, sendo liberado lentamente nas frentes de lavra ou mais rapidamente quando o carvão é britado. Em minas com alta liberação de metano, há risco de explosão do gás.
Pela NR-22, a concentração de metano no ambiente de trabalho deve ser < 1%.
(Continuação...) EXPLOSÃO DE METANO As condições de atmosfera da mina nas quais pode ocorrer a explosão do metano estão indicadas no gráfico conhecido como “triângulo de Coward”, delimitado pelos pontos da tabela abaixo .
Pontos B C E Oxigênio (%) 20 18 12 Metano (%) 5 14 6
Condições de explosividade do metano...
Tabela resumo de gases poluentes de mina (
Hartman et al.,1997, Mine Ventilation and Air Conditioning
)
Casos de explosão de metano ocorridos na mineração de carvão do sul do Brasil ...
O caso mais grave: acidente ocorrida na Carbonífera Urussanga - SC, 1984.
Cálculos de diluição de gases contaminantes: A vazão de ar requerida para diluir um determinado contaminante, considerando a situação em que a vazão do contaminante é constante ao longo do tempo, é dada por: Q = Qg (1 – VL) / (VL – Bg) onde...
VL = valor limite máximo permitido para a concentração do contaminante (fração); Qg = vazão do contaminante na atmosfera de mina (m3/s); Bg = concentração do contaminante presente na vazão Q (fração); Q = vazão de ar requerida para a diluição (m3/s).
Exemplo: 1) Uma frente de lavra de carvão libera metano à uma taxa de 0.5 m3/s. Supondo que a concentração máxima permitida de gás metano na área de trabalho seja de 1%, calcule a mínima vazão de ar fresco necessária para a diluição.
Q = 0.5 (1 – 0.01) / (0.01 – 0) = 49.5 m3/s 2) Supondo que o ar de entrada, na situação anterior, já esteja contaminado com metano, apresentando uma concentração inicial de 0.2 %. Qual a vazão de diluição para a frente de lavra?
Q = 0.5 (1 – 0.01) / (0.01 – 0.002) = 61.9 m3/s
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Poeiras em minas subterrâneas
Poeiras: -consistem de partículas sólidas suspensas em um gás e sua presença em mina subterrânea representa um problema comum; - são formadas em processos de fragmentação de rocha; - o diâmetro das partículas de poeira pode variar de 1 a 100 μm, mas o intervalo normalmente é de 1 a 20 μm;
Poeiras ... (cont.)
poeiras podem causar dano à saúde trabalhadores e apresentar explosividade; dos - um exemplo de doença causada pela exposição contínua a poeiras é a silicose, que é originada pelo acúmulo, nos pulmões, de partículas contendo sílica; poeiras em suspensão denominadas “poeira respirável”; cujas partículas apresentam diâmetros menores que 5 μm são
Poeiras ... (cont.)
- Tipos de poeiras: 1. fibrogênicas – sílica, minérios de berílio, minério de ferro, carvão, etc.
2.
carcinogênicas – asbestos, produtos de desintegração do Radônio, sílica, DPM’s, etc.
3. tóxicas – minérios de chumbo, berílio, arsênico, mercúrio, minérios radioativos, etc.
4. radioativas – minérios de urânio, radio, tório, etc.
5. explosivas – carvão, minérios de sulfetos, etc.
Poeiras ... (cont.)
- Explosividade de poeiras: Consiste em uma combustão muito rápida da poeira. A iniciação pode ocorrer por uma chama ou detonação (explosões de gás metano são iniciadores comuns de poeiras).
- Condições de explosividade do carvão: 1. diâmetro de partícula abaixo de 850 μm; 2. concentrações acima de 60 g/m3; 3. a explosividade diminui pelo aumento do % de cinzas.
Poeiras ... (cont.)
As normas regulamentares do Ministério do Trabalho do Brasil (NR-15) fixam as concentrações máximas toleradas no ambiente de trabalho.
- Limites máximos de concentração de sólidos no ar, conforme a NR-15, para o caso da presença de sílica cristalizada (p.ex. em minas de carvão): LT (Limite de Tolerância, em mg/m 3 ) para poeira total (respirável + não-respirável) ...
LT = 24 / (%Qz + 3) .
LT para poeira respirável ...
LT = 8 / (%Qz +2) .
Poeiras ... (cont.)
Alternativas para controle de poeiras no ambiente ...
Usar água no processo de fragmentação de rocha, umedecendo paredes das frentes de serviço (antes e após a detonação), além do material fragmentado; Fazer a captação de poeiras (p.ex. na perfuração à seco); Usar sprays d'água em locais onde existe formação de poeiras; Usar máscaras de proteção individual.
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DPM – Diesel Particulate Matter
-material particulado de diesel é parte da complexa mistura formada na exaustão do combustível consumido por veículos, máquinas e equipamentos movidos a óleo diesel.
-na exaustão do diesel encontram-se gases e partículas resultantes da combustão incompleta do diesel. O particulado em geral apresenta diâmetro menor que 1µm, com o carbono como componente primário, além de outros compostos adsorvidos (benzeno, hidrocarbonetos aromáticos, sulfatos, nitratos, ...).
DPM – Diesel Particulate Matter
Problemas ocupacionais gerados pelo DPM estão relacionados à exposição curta e longa, além da concentração trabalhador: e a individualidade de cada
As emissões podem causar irritações nos olhos, nariz, garganta, pulmões.
Há consideráveis evidências de emissões de diesel sejam cancerígenas.
que estas
DPM – Diesel Particulate Matter
Medidas para minimizar o DPM:
utilizar equipamentos elétricos (se possível);
evitar manter o motor ligado quando o veículo estiver parado;
manter o equipamento revisado e ajustado;
usar filtro DPF (filtro para partículas do diesel) com dimensionamento e validade correta do elemento filtrante para cada equipamento;
manter a ventilação de mina nos padrões adequados definidos nas normas.
DPM – Diesel Particulate Matter
Limites de exposição: A legislação ficou mais rígida nos últimos anos quanto à exposição diária do trabalhadores de minas subterrâneas, principalmente em países com tradição mineira como Alemanha, Canadá e Estados Unidos.
Na Alemanha , os limites de tolerância para trabalhos subterrâneos são de 0.10 mg/m 3 de carbono elementar.
Na Suíça esse limite corresponde a 0.20 mg/m 3 , de carbono total contido no DPM.
DPM – Diesel Particulate Matter
O instituto americano Mine Safety and Health Administration
(MSHA)
é um pouco mais tolerante e as faixas de exposição diária variam de 0.16 a 0.40 mg/m 3 de carbono total.
No Canadá, conforme o Canadian ad hoc Diesel Committee , o limite foi estipulado em 1.50 mg/m 3 , que parece ser um tanto alto em relação aos outros países, mas o método utilizado pelos canadenses leva em conta todo o material particulado e não somento o carbono.
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O principal parâmetro do sistema de ventilação de mina é a vazão de ar fresco, a ser insuflada nos locais de trabalho.
Do ponto de vista do suprimento das necessidades de oxigênio para consumo humano e de motores de combustão interna (diesel), existem normas específicas que são adotadas em cada país.
O raciocínio comum para o cálculo de vazões de ar fresco (necessidades de ar) envolve as seguintes variáveis: - o número de trabalhadores presentes em subsolo; - a potência de equipamentos diesel na mina; - a taxa de produção (minério+estéril) da mina; - outros elementos específicos (concentração de gases contaminantes, mina de carvão ou ñ-carvão, massa de explosivos, presença de equipamentos elétricos, etc.)
Um exemplo bastante simples será usado a seguir para mostrar o cálculo das necessidades de ar usando-se a norma NR-22 (Brasil), considerando mina subterrânea ñ-carvão.
Mina ñ-carvão: Elementos para cálculo de necessidades de ar.
Conforme a NR-22, deve-se escolher o maior valor dentre os itens (a), (b) e (c) do quadro II.
Exemplo de aplicação da NR-22 para minas ñ carvão ...
Suponha que em um stope de mina de ouro trabalhem simultaneamente, na situação mais crítica, 1 caminhão diesel (300cv), 1 LHD diesel (150cv) e 4 operários .
Considere ainda que este stope usa 120kg de explosivos em seu desmonte, e produz mensalmente 5000 t de minério e estéril . Estimar a vazão requerida pela NR-22.
Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel de lavra de mina ñ-carvão ...
Resp.: Item (a) do quadro II ...
Vazão p/homens e máquinas será igual a 2m3/min x 4 + 3.5m3/min/cv(300cv + 150cv)=1583 m3/min.
Item (b) do quadro II ... A vazão de ar de acordo com a massa de explosivos empregada no desmonte será calculada para um tempo de aeração de 30 minutos: Q = 0.5 x 120kg/30 minutos = 2 m3/min.
Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel de lavra de mina ñ-carvão ...
Item (c) do quadro II ...
Vazão de ar de acordo com a produção do painel, supondo 180m 3 /min/1000t mensais: Qt = 180m 3 /min/1000t x 5 000 t/mês = 900 m 3 /min .
Neste caso, a necessidade de ar para o realce será de 1583 m 3 /min, conforme calculado no item (a).
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Limites para a velocidade do ar em subsolo:
Procuram garantir que a velocidade do ar seja suficiente para remover contaminantes do local de trabalho, mas sem aumentar demais o transporte de poeiras ou prejudicar o conforto térmico dos trabalhadores.
Lembrar que : Q = v A Q = vazão de ar na galeria (m 3 /s); v = velocidade do ar (m/s); A = área de seção de galeria (m 2 ).
Exemplos de limites velocidade do ar determinados pela NR-22 (Brasil):
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3.Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Em circuitos de ventilação de minas subterrâneas, o ar fresco precisa ser direcionado até as frentes de serviço. Isto é feito usando-se determinados elementos, conhecidos
genericamente como divisores do fluxo de ar
obedecem a uma organização geral.
. Cada seção de trabalho de uma mina possui seus próprios divisores, que
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Tipos de divisores de fluxo:
Barragens As barragens são paredes usualmente de alvenaria ou de madeira, construídas em galerias ou entre pilares de minério para evitar a mistura do ar fresco (entrada) com o ar contaminado (retorno). As barragens temporárias são usadas próximas das frentes de serviço e, com o avanço da lavra, serão posteriormente substituídas por barragens permanentes.
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Barragens permanentes confeccionadas em alvenaria (mina de carvão): Barragem provisória confeccionada em madeira (mina de carvão) :
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Linhas de tapume
Linhas de tapume
são usadas para movimentar o ar do último cruzamento até a face. São estruturas feitas de material flexível, muito empregadas na ventilação de frente de serviço que usa mineradores contínuos, na lavra de carvão.
Ventilação auxiliar
Linha de tapume: A colocação de uma linha de tapume longitudinalmente em uma galeria divide esta abertura em duas para fins de ventilação. Normalmente é presa no teto e sempre está sujeita a vazamentos (fugas).
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Cortinas
As
Cortinas
são estruturas temporárias para controlar o fluxo de ar. Trata-se simplesmente de uma cortina, a qual pode ser prontamente suspensa na direção do fluxo de ar para onde for necessário. As
cortinas
são usadas temporariamente também como barragem. Em algumas situações pode ser necessária a passagem de homens e/ou equipamentos através da cortina. Isto é efetuado pelo corte da cortina.
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Portas
Quando o acesso entre galerias de entrada e retorno de ar deve permanecer disponível, são usadas as
portas de ventilação
, que podem ser feitas de metal ou madeira, dependendo da finalidade
.
Portas
localizadas entre entradas e saídas principais de ar são usualmente construídas aos pares, para garantir segurança e impedir a passagem do ar mesmo quando uma das portas encontra-se aberta (
ver disposição específica na NR-22
).
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Portas de ventilação ...
Portão confeccionado em metal Portão confeccionado em madeira
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
Crossings (cruzamentos de ar)
Usam se estas estruturas sempre que necessário, apesar de serem complexas, em cruzamentos onde não se deseja misturar o fluxo de ar da entrada com o do retorno. Podem ser do tipo
overcast
ou
undercast
. A estrutura
undercast
geralmente não é utilizada por causa da presença água que pode ocorrer no desnível, tendendo a obstruir o fluxo de ar.
É uma estrutura característica em minas de carvão.
Cruzamento de ar (tipo overcast)
Diagrama agrupando diversos tipos de divisores do ar, em circuitos de ventilação de mina de carvão.
Exemplos de símbolos para elementos presentes em circuitos de ventilação de mina
Diagrama apresentando os divisores de fluxo em circuitos de ventilação.
Divisores do fluxo de ar em mina subsolo
REGULADORES
A quantidade de fluxo de ar pode ser controlada por elementos chamados r
eguladores
.
Um
regulador
consiste numa estrutura com uma abertura à passagem do ar, que pode ser grande ou pequena. A abertura pequena reduzirá a passagem de ar.
Cálculo aproximado da área de abertura de um regulador:
a = 1,21 / R 1/2
; sendo
R
em Ns 2 m -8 ,
a
em m 2 .
Reguladores
Porta deslizante
Típico modelo de fluxo de ar em um sistema de exaustão (divisão dupla)
____________
Ventilação auxiliar
Na ventilação de frentes de trabalho ocorrem situações em que a corrente de ar da ventilação principal é inadequada ou mesmo não disponível. Nestes casos, um reforço deve ser providenciado como meio de garantir o correto suprimento de ar. Este sistema de reforço localizado denomina-se ventilação auxiliar.
As principais aplicações da ventilação auxiliar são: 1- Ventilar galerias em desenvolvimento (fundos-de saco).
2- Prover um fluxo suplementar para assistir a uma parte do circuito primário, através de um reforçador (denominado genericamente de
booster
).
Ventilação auxiliar
Ventilação de galerias em fundo-de-saco: É a aplicação mais freqüente e importante da ventilação auxiliar. Quase sempre ela é necessária onde a lavra está ocorrendo, podendo constituir-se no único meio de suprir as necessidades do ar. Toda a abertura de galerias, poços, planos inclinados, ultrapassem o último travessão (
raises
e
winzes
sempre necessitam de ventilação auxiliar. Em minas de carvão, todas as frentes necessitam de ventilação auxiliar tão logo
de modo geral, a norma NR-22 estabelece a obrigatoriedade da ventilação em fundo-de-saco
).
Ventilação auxiliar
Exemplo de ventilação de fundo-de-saco em painel de mina de carvão (Câmaras e Pilares), com ventiladores auxiliares de pequeno porte funcionando por exaustão, conectados a tubulações não-colapsáveis.
tubulações ventiladores cortinas barragens
Exemplo de ventilação de fundo-de-saco com linhas de tapume e cortinas (carvão; método de câmaras e pilares) .
Ventilação auxiliar
Ventilação auxiliar
Exemplo de organização da ventilação auxiliar em painel de mina de carvão (Criciúma-SC-BRA), com ventiladores fixados no teto e atuando por insuflação.
Ventilação auxiliar
Posição dos equipamentos no painel de mina de carvão (Criciúma-SC-BRA) do slide anterior.
3 4 5 1 2 9 6 7 8
Ventilação auxiliar
Ventiladores auxiliares com tubulações ou linhas de tapumes são os principais meios de ventilar as frentes de trabalho em fundo-de-saco, mas existem outros dispositivos que podem ser utilizados ou adicionados para fins de controle especial de poeiras ou movimentação especial do ar.
Um fator muito importante a ser considerado no projeto e seleção de ventiladores auxiliares é a necessidade de garantir que a recirculação de ar não ocorra.
Ventilação auxiliar
Ventiladores Auxiliares e Tubulações: tanto ventiladores axiais como centrífugos podem ser utilizados nos sistemas de ventilação auxiliar. Ventiladores axiais são preferidos devido ao seu tamanho compacto e facilidade de estagiamento. Materiais mais usados para tubulações rígidas: ligas de aço, malhas de aço entrelaçado, fibra de vidro e resinas.
Ventilação auxiliar
Tubulações não rígidas (flexíveis e colapsáveis) são geralmente de nylon. As tubulações são disponíveis em ampla faixa de diâmetros, com seções circulares ou elípticas. O posicionamento mais comum das tubulações normalmente é no alto, sendo próximo ao central para galerias de seção arredondada e nos cantos para seções retangulares.
Ventilação auxiliar
Exemplos de posicionamento de tubulações colapsáveis
(Mina Cuiabá – MG/Brasil - AngloGold Ashanti)
Ventiladores auxiliares acoplados a tubulações:
Ventiladores auxiliares para instalação no teto de galerias Ventiladores auxiliares associados em série e conectados a tubos flexíveis.
Ventiladores auxiliares acoplados a tubulações:
Exemplo de tubulação flexível e não-colapsável, que pode ser usada em sistemas por exaustão ...
Ventilação auxiliar
O uso de cortinas e linhas de tapume é mais comum em minas de carvão, onde a frente de lavra pode operar com equipamentos de fragmentação mecânica (mineradores contínuos). Em minas metalíferas são pouco utilizadas porque estão mais sujeitas aos danos relacionados com o uso de explosivos. As barragens próximas de detonações também podem sofrer danos com a vibração produzida pelos explosivos.
Ventilação auxiliar
Scrubbers: São coletores de poeiras que podem resolver problemas de supressão de poeiras, tanto montados sobre máquinas como associados a ventiladores adequados para este fim.
Exemplo de scrubbers equipando minerador contínuo
Scrubbers...
As principais fontes geradoras de poeira em minas de carvão são os mineradores contínuos (fragmentação de carvão) e roof bolters (parafusadoras de teto).
Minerador contínuo Roof Bolter
Scrubbers...
Os novos modelos de mineradores contínuos são quase todos equipados com scrubbers. A eficiência total varia de 60 a 75%.
Quando a poeira é excessiva, o scrubber necessita de manutenção freqüente. Limpeza do filtro e do duto são necessárias.
SCRUBBERS E VENTILAÇÃO POR INSUFLAÇÃO: Na ventilação por insuflação, o ar fresco é dirigido pelo tapume em direção à face. Este ar fresco dilui e desloca poeira para a face da mineração. Após a remoção da poeira, o ar é descarregado pela parte traseira do scrubber.
Operador remoto controlando o minerador cont.
SCRUBBERS E VENTILAÇÃO POR INSUFLAÇÃO: A posição do operador tem grande influência no quanto ele será afetado pelo ar contaminado.
Estudos comprovam que mudando o operador para a posição 2, existe uma diminuição de 94% do nível de exposição deste.
2
SCRUBBERS E VENTILAÇÃO POR INSUFLAÇÃO: Fatores que causam elevados níveis de poeiras: • • • • posição do operador; manutenção do scrubber; ventilação e sprays; vazão de ar fresco.
SCRUBBERS E VENTILAÇÃO POR EXAUSTÃO: Na ventilação auxiliar por exaustão utilizando scrubbers, a posição do operador também influencia no nível de exposição à poeira que este sofre. Além disso, existem mais lugares para o trabalhador se posicionar.
Tanto a posição A quanto a posição B estão localizadas paralelas ao final da linha de tapume.
No caso do operador na posição A se movimentar, o nível de exposição não muda muito. Porém, no caso do operador na posição B, o nível de exposição aumenta bastante, pois ele sairá da zona de entrada de ar fresco.
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Ventilação auxiliar
Sprays São geradores de spray d’água. Em minas modernas de carvão, a maioria das máquinas de corte, carregamento e mineradores contínuos possuem atomizadores para supressão de poeiras.
Ventilação auxiliar
Sprays...
A utilização de água após o desmonte é muito importante, pois partículas finas de poeira são geradas. Assim, pequenas partículas ficam presas nas superfícies das galerias e a água consegue removê-las.
Naturalmente, o uso excessivo de água pode gerar um nível alto de umidade, o que pode significar problemas (p.ex. dificuldades no manejo de materiais e equipamentos).
Ventilação auxiliar
Arranjo do sistema de ventilação auxiliar:
Cortinas, ventiladores e dispositivos especiais de ventilação podem ser arranjados em uma ampla variedade de configurações dependendo dos contaminantes envolvidos, limitações de espaço, equipamentos de mineração que estão sendo empregados, limitações de ruídos, além de considerações de custo e viabilidade.
Ventilação auxiliar por insuflação ou exaustão
A ventilação auxiliar em fundo-de-saco pode ser: - por insuflação - por exaustão.
A insuflação se aplica a sistemas em que velocidades mais altas de fluxo são dirigidas para a face, tanto pelo lado estreito de uma cortina quanto por uma tubulação com pressão positiva. Quando o ar é sugado da face, tanto por tubulação com pressão negativa quanto pelo lado estreito de uma cortina ou tapume, o sistema é de exaustão.
Ventilação auxiliar insufladora
Ventilação auxiliar
Ventilação auxiliar exaustora
Usos da ventilação auxiliar:
fundo-de-saco em fase de desenvolvimento de rampa de acesso !
Usos da ventilação auxiliar:
fundo-de-saco em fase de abertura de shaft !
Ventilação auxiliar
Os seguintes fatores devem ser considerados na seleção de um sistema de insuflação ou exaustão: 1 A maior velocidade do ar resultante da insuflação é mais efetiva para maiores distâncias da saída do que na exaustão. Essa desvantagem do sistema de exaustão só pode ser superada pela colocação da entrada de ar mais próxima da face, o que nem sempre é possível; 2 A insuflação por tubulação pode buscar o ar em um lugar qualquer de origem e levá-lo até o ponto de utilização sem sofrer contaminações no caminho, ao passo que, na exaustão, o ar pode passar por galerias de transporte e mesmo áreas mineradas ou outras frentes de trabalho, chegando pré-contaminado ao ponto de utilização;
Ventilação auxiliar
3 A insuflação convencional provoca a contaminação com poeiras e/ou gases, levando-os além da face, podendo até mesmo aumentar a taxa de poeira em suspensão. A exaustão retira os contaminantes à medida em que são gerados na face, podendo até melhorar a visibilidade; 4 A insuflação permite o uso de tubulação colapsável, que é mais fácil de manusear e mais barata do que a tubulação rígida;
Ventilação auxiliar
5- A insuflação produz concentração mais baixas de contaminantes inflamáveis/explosivos passando pelo ventilador; 6- A sensação térmica pode ser de temperatura mais baixa quando usa-se insuflação.
Ventilação auxiliar insufladora
Combinações (superposições) na ventilação auxiliar: É possível usar uma combinação de insuflação e exaustão para obter maior eficácia nas situações em que um único ventilador não possui capacidade suficiente para fornecer a vazão requerida em tubulações muito longas .
Ventilação auxiliar
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4.Layouts de ventilação
Sistemas de ventilação em minas Componentes do sistema de ventilação: ventilação mecânica + vent. natural - galerias e outras aberturas conectadas - elementos de controle do fluxo de ar (barragens,tapumes, portas, reguladores, etc.) A distribuição do ar na mina deve ser efetiva: direção e quantidade de ar devem ser controlados.
Layouts de ventilação
Direção do fluxo de ar em subsolo: Pelo menos duas aberturas devem estar presentes na mina: entrada e saída de ar (exceção – trabalhos de desenvolvimento).
Rotas de acesso e retorno às frentes de serviço percorridas pelos trabalhadores devem ser feitas em galerias de ar fresco.
Layouts de ventilação
Mapeamento da ventilação na mina É necessário verificar periodicamente a vazão de ventilação para: Melhorar a eficiência da distribuição do ar nas áreas de trabalho (fazer o balanço de fluxo); Localizar e determinar a causa de galerias com alta resistência; Localizar e determinar a causa de fugas, perdas de ar e recirculação; Planejar a provável direção do fluxo para novas galerias e a locação dos ventiladores.
Layouts de ventilação
Fugas: São perdas de vazão do circuito de entrada de ar para o retorno, que ocorrem de modo não intencional. As fugas são a causa mais comum de ineficiência na distribuição do ar em minas subterrâneas.
Pontos de ocorrência de fugas ...
Layouts de ventilação
Locais onde ocorrem as fugas: Ocorrem em frestas e/ou trincas localizadas em portas de ventilação, barragens, crossings e tapumes. Às Às vezes, fraturas no próprio maciço (p.ex. em pilares) podem ocasionar fugas de ar.
A intensidade das fugas depende do estado de conservação e acabamento dos divisores de ar e também do diferencial de pressão ao qual estão sujeitos (maior diferencial de pressão
maiores fugas).
Fugas em minas de carvão: representam em média 50% da vazão total da mina.
Fugas em minas metalíferas: 25% em média.
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Layouts de ventilação
Ventiladores principais de minas subterrâneas: Grande parte das minas atualmente organiza o circuito de ventilação de modo a operar por exaustão, com os ventiladores principais posicionados na superfície. Para reduzir resistências, deve-se usar os poços de exaustão exclusivamente para a ventilação, sem funções de movimentação de produção, pessoal e materiais.
Layouts de ventilação
Vantagens em posicionar o ventilador principal na superfície ...
Facilidade de instalação – em superfície existe mais espaço para instalar o equipamento; Facilidade de acesso inundações); – o ventilador apresenta acesso mais imediato em caso de manutenção ou desastres (fogo e Segurança – o ventilador fica menos vulnerável a desastres e problemas de instabilidade do maciço rochoso.
Layouts de ventilação
Porém, em superfície... haverá maior geração de ruído e possíveis problemas com vizinhos. Existem abafadores de ruído que podem ser instalados nos ventiladores, mas esses dispositivos diminuem a vazão do equipamento.
a construção de superfície que envolve o ventilador pode apresentar fugas, chegando eventualmente a 20% (neste caso, em relação à vazão total movimentada pelo ventilador, apenas 80% seria ar proveniente da mina).
Velocidades do ar recomendadas para poços:
poços verticais usados exclusivamente para ventilação (não equipados) = 18 a 22m/s; poços verticais equipados = 10 a 12m/s.
(Ref.: The mine ventilation practitioner's data book; ed. Dr. A.M. Patterson; Mine Ventilation Society of South Africa, 1992)
P ara ventiladores principais, é preferível instalar 2 unidades em paralelo do que apenas uma unidade. A razão é que, na associação em paralelo, um ventilador produzirá 66% da vazão quando o outro estiver bloqueado para reparos.
(The Hard Rock Miner’s Handbook, Ed. 3, 2003 McIntosh Engineering Limited)
____________
Layouts de ventilação
Diferenças entre ventilação de minas metalíferas e de carvão: diferem pelas características do método de mineração e pelos tipos de gases contaminantes.
Carvão
jazidas tabulares horizontalizadas; métodos de lavra...
Câmaras e pilares; Longwall.
Layouts de ventilação
Minas metalíferas
jazimentos verticalizados são comuns. Métodos de lavra...
C&P, Stope&pillar, SLS, Shrinkage, Sublevel caving, Block caving, Cut and Fill, etc.
Layouts de ventilação
Diferenças nos contaminantes do ar: Em muitas minas de carvão, o poluente primário é o metano (explosivo). Em minas metalíferas, gases originados por detonações e uso de diesel são os poluentes primários.
Ventilação é prioridade maior em minas de carvão do que em metalíferas, com custos maiores no carvão.
Layouts de ventilação
Características da ventilação de minas de carvão:
uso de exaustores locados na superfície, ocasionando depressão no ambiente de subsolo; -grandes fugas de ar; grande número de barragens (e problemas de conservação); grande necessidade de ar (presença de metano e poeira); -sistema de bleeders; boosters em subsolo são permitidos no Brasil.
Minas de carvão Posicionamento dos acessos principais (planos inclinados e poços) em minas de carvão
:
o posicionamento ideal procura manter a resistência equivalente do circuito aproximadamente constante ao longo da vida da mina; - isto pode ser obtido colocando os acessos principais no centro da área a ser minerada;
Minas de carvão Posicionamento dos acessos ...
se o posicionamento central não for possível, a resistência equivalente do circuito irá aumentar e também as perdas de ar (fugas) devido ao alongamento do circuito de ventilação, dificultando a manutenção das vazões necessárias nas frentes de serviço; - quando o circuito se alonga, pode resistência do circuito de ventilação.
se perfurar poços adicionais na periferia das áreas mineráveis, servindo como entradas ou saídas de ar, reduzindo-se as fugas e a
Minas de carvão Posicionamento dos acessos principais longe do centro da área minerada...
Exemplo de mina de carvão com acessos principais longe do centro da área minerada (mina em SC)
Minas de carvão Exemplos de sistemas de ventilação em eixos e painéis de lavra ...
“tubo em U” (fig. esq.)
ventilação direta através do painel (fig. dir.)
Minas de carvão Exemplos de circuito de ventilação com painéis usando o sistemas de ventilação “tubo em U”.
Mineração de carvão
Detalhe da organização de um painel de lavra e sua conexão com eixo de desenvolvimento (mina de carvão em S.Catarina, método de câmaras e pilares). Ventilação “tubo em U” no painel.
Detalhe da ventilação na frente de produção em mina de carvão em S.Catarina:
Carvão
Layouts carvão
Boosters em circuitos de ventilação: alternativa em geral mais econômica para alterar a distribuição de vazões em áreas específicas da mina (é mais interessante do que aumentar a ventilação principal ou usar reguladores para deslocar parte da vazão de um setor para outro da mina); os boosters podem ser ventiladores de baixa potência (p.ex. no carvão, quando usados para fornecer vazão em painel de lavra específico) ou potências maiores (em outras minas, onde vários boosters podem estar associados em paralelo, auxiliando a ventilação principal); sempre que possível, os boosters são posicionados em galerias de retorno de ar, deixando o circuito de entrada de ar fresco livre para acesso;
Layouts carvão
Exemplo de instalação de boosters (associação em paralelo) em galeria de subsolo ...
Layouts de ventilação
Características da ventilação de minas metalíferas:
Em modernas minas metalíferas, a prática é usar múltiplos ventiladores: ventiladores principais na superfície e boosters em subsolo para direcionar o fluxo para áreas de trabalho.
Desvantagens do uso de múltiplos ventiladores: é mais difícil controlar e analisar o circuito de ventilação. Entretanto, se houver falha de um ventilador, o impacto no circuito é menor e mais fácil de remediar.
Layouts de ventilação Ventilação de minas metalíferas:
-uso de equipamentos diesel; -menores fugas; as galerias são projetadas com a menor área de seção possível, devido aos altos custos de desenvolvimento (grande parte feito em material estéril). Isto acarreta circuitos com maiores resistências aerodinâmicas.
Layouts de ventilação
Exemplo de mina metalífera: ventiladores principais (shaft 3 e 4) na superfície e atuando por exaustão.
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: Características gerais dos layouts em minas metalíferas...
Entrada da ventilação e saída em lados opostos dos stopes, o que permite eliminar a ventilação de fundo-de-saco na produção.
Ventilação ascendente (do nível mais baixo para o mais alto) em corpos verticalizados, com o ar sendo conduzido por raises (chaminés) para os níveis superiores.
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: configuração simplificada.
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: configuração onde o ar limpo entra pela rampa principal e é distribuído pelos níveis, saindo pelo poço de exaustão.
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: detalhes dos stopes no método de lavra Shrinkage
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: detalhes dos stopes no método de lavra Sublevel Stoping
Layouts de ventilação
Sublevel stoping: Orosur – San Gregorio – Uruguai (2013)
Layouts de ventilação
Esquema genérico de ventilação em stope do método Cut and Fill: ar limpo vindo da superfície é fornecido pela rampa, passa pelo realce (parte interna do stope), a seguir é direcionado para a exaustão por raises.
Raise Travessa Realce Rampa Raise
Layouts de ventilação
Esquemas de ventilação no Cut-and-Fill – Mina Cuibá (AngloGold Ashanti, Minas Gerais):
Layouts de ventilação
Esquemas de ventilação no Cut-and-Fill – Mina Cuibá (AngloGold Ashanti, Minas Gerais):
Layouts de ventilação
Minas metalíferas: detalhe dos stopes no método de lavra VCR
5.Leis da Ventilação
Durante o escoamento do ar em galerias de mina subterrânea, ele perde pressão (sofre “perdas de carga”), de dois modos: - por atrito do fluido contra a superfície das galerias (perdas H curvas, f ); - por turbulência (mudanças de direção em alargamentos e estreitamentos das galeiras; perdas H x ).
A perda total é dada por: H t = H f + H x
A perda de carga é um parâmetro usado na seleção de ventiladores !
Perdas H f por atrito (equação de Atkinson): H f = _k P L_ Q 2 A 3 No Sistema Internacional de unidades (S.I.), tem se: H f em Pa (N/m 2 ); k , fator de atrito, dado em Ns 2 m -4 ; P, perímetro da galeria, dado em m; L, comprimento da galeria, dado em m; A, área de seção da galeria, dada em m 2 ; Q, vazão de ar, dada em m 3 /s.
O fator de atrito k é um parâmetro importante e pode ser obtido em tabelas ou por meio de medidas conduzidas nos locais de interesse. Em geral, o valor de k apresenta-se entre 0.01 e 0.02 Ns 2 m -4 .
A tabela a seguir, retirada de Hartman et al.
(1997, cap.5), serve para estimar k em galerias de minas de carvão.
Tipo de galeria Acabamento suave * Desmonte convencional Com escoramento de madeira Limpa 0.0046
0.008
0.012
Retilínea Pouco obstruída 0.0052
Moderadam.
obstruída 0.0061
0.0091
0.0134
0.0110
0.015
Limpa 0.0055
0.0110
0.0160
Sinuosa Pouco obstruída 0.0069
0.0121
0.0164
Moderadam.
obstruída 0.0076
0.0140
0.0170
Todos os valores de k estão em Ns 2 m -4 .
* Acabamento suave refere-se às galerias executadas com minerador contínuo, roadheader, raise drill ou TBM.
Valores de k para galerias encontram-se na tabela abaixo.
de minas ñ-carvão Tipo de galeria Acabamento Suave Rochas Sedimentares Escoramento em madeira Rochas ígneas Retilínea 0.0037
0.0111
0.0185
0.0278
Pouco sinuosa 0.0056
0.0130
0.0204
0.0297
Sinuosa Moderadamente sinuosa 0.0065
0.0139
0.0213
0.0306
Muito sinuosa 0.0083
0.0158
0.0232
0.0325
Valores de k para dutos usados na ventilação auxiliar de galerias desenvolvidas em fundo-de-saco:
As variáveis _k P L_ podem ser condensadas em A 3 um único parâmetro R galeria”.
f , denominado “resistência de R f é dado (no SI) em Ns 2 m -8 .
Assim, H f pode ser escrito como: H f = R f Q 2 = _k P L_ Q 2 A 3
Exemplo: Calcule as perdas de pressão passagem de 200 m 3 /s de ar por atrito originadas pela através seção 4 x 5m e 100m de comprimento.
Supor k = 0.01 Ns 2 m -4 .
de uma galeria de P = 5x2 + 4x2 = 18m L = 100m A = 4x5 = 20 m 2 R f = 0.01 x 18 x 100 = 0.00225 Ns 2 m -8 20 3 Hf = 0.00225 (200) 2 = 90 Pa .
Continuação : Mantendo-se os dados do exemplo anterior, quais as perdas de pressão por atrito alterando-se apenas a área de seção da galeria para 1.7 x 2m ?
P = 1.7x2 + 2x2 = 7.4m
A = 1.7x2 = 3.4 m 2 R f = 0.01 x 7.4 x 100 = 0.188 Ns 2 m -8 3.4
3 Hf = 0.188 (200) 2 = 7520 Pa .
Perdas de pressão Hx por turbulência do ar:
A obtenção de estimativas para Hx não é através de uma equação simples como Hf. Em geral, usam-se tabelas ou ábacos com valores originados experimentalmente.
Perdas por turbulência (“shock losses”) podem ser transformadas em resistências (no caso, R x ) seguinte forma: H x = Xρv 2 / 2 , onde ρ = massa específica do ar (kg/m por turbulência (adimensional).
3 ), v = velocidade média de escoamento do ar (m/s), X = fator de perdas
Reescrevendo a Eq. de Atkinson apenas para as perdas de pressão por “shock”, tem-se: H x = R x Q 2 = R x v 2 A 2 = Xρv 2 / 2.
Então, R x = Xρ / (2 A 2 ), de modo que R x devida à turbulência do ar.
é a resistência O fator X é estimado a partir de tabelas obtidas na literatura. Alguns exemplos de configurações comuns em mina subterrânea são apresentados a seguir, com seu respectivo valor X.
Uma observação importante é a de que pequenas variações na geometria das galerias podem provocar significativa mudança em X em relação às aproximações obtidas em tabelas.
Fator X para perdas por turbulência em algumas situações:
(Ref.: McPherson, M. J., 1993, Subsurface Ventilation and Environmental Engineering, Ed. Chapman & Hall, London, Cap.5.3)
Entrada de ar com arestas bem definidas X = 0.5
Entrada de ar por um duto X = 1.0
Entrada de ar com arestas arredondadas X = 0.03 para r/D ≥ 0.2
Saída de ar X = 1.0
Alargamento abrupto de galeria A = área de seção v = velocidade do ar X 2 = [A 2 /A 1 -1] 2 ; para a seção 2.
Se A 2 >> A 1, X 1 = [1- A 1 /A 2 ] 2 ; para a seção 1.
Estreitamento abrupto de galeria X = 0.5 [1- A 2 /A 1 ] 2 Rx = Xρ/(2A 2 2 ) Curva de 90 o em galeria de seção retangular Fluxo divergente de galeria para poço X = 0.5 [1 + 2.5 v 2 /v 1 ] Rx = Xρ/(2A 1 2 )
Curva característica de uma galeria:
A resistência total de uma galeria (atrito + turbulência) é dada por Rt = Rf + Rx. A perda de carga total assume a forma ...
Ht = Rt Q 2 .
Costuma-se representar graficamente o comportamento de uma galeria (ou conjunto de dutos conectados entre si) para diferentes valores de vazão, da forma a seguir.
curva característica
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20
vazão
30 40
Da observação da curva do slide anterior, denominada curva característica da galeria (ou curva da mina, quando esta representa a resistência de um circuito completo), conclui-se que em altas vazões são geradas perdas de carga muito altas.
Exemplo: Compare a perda de carga verificada em uma galeria de resistência Rt = 0.1 Ns2m-8 quando escoam, numa primeira situação, 50 m3/s de ar, com outra situação na qual escoam 100 m3/s .
Ht para 50m 3 /s ... Ht = 0.1 (50) 2 = 250 Pa; Ht para 100m 3 /s ... Ht = 0.1 (100) 2 = 1000 Pa.
Ou seja, para uma vazão de 100m 3 /s, as perdas foram 4 vezes maiores.
O valor Rt para uma determinada galeria ou conjunto de galerias é aproximadamente constante e não depende da vazão de ar que escoa no trecho. equação H Em decorrência disto, pode-se determinar a perda de carga de uma galeria para qualquer vazão, usando a t = R t Q 2 .
Em galerias onde o valor de Rt é maior, há maior dificuldade à passagem do ar. O custo de fazer passar uma determinada vazão Q em uma galeria também depende diretamente de Rt : resistências maiores implicam em maiores custos de ventilação.
Exemplo: Calcular a resistência equivalente do circuito de ventilação da figura a seguir. Considerar: A1=20m 2 ; perím.=18m A2=15m 2 ; perím.=16m k=0.01 Ns2m-4 ρ=1.2kg/m3 Solução: Resistências por atrito ... R1= kS/A 3 = 0.01 x 18 x 500 / 20 3 = 0.011 Ns2m-8 R2= 0.01 x 16 x 500 / 15 3 = 0.024 Ns2m-8 Resistências por shock ... Entrada: X=0.5; Rx1=0.5 x 1.2 / (2 x 20 2 ) = 7.5x10
-4 Ns2m-8 Saída: X=1.0; Rx2=1.0 x 1.2 / (2 x 15 2 ) = 0.0027 Ns2m-8 Contração A1/A2: X=0.5 [1 - 20/15] 2 = 0.055 Ns2m-8 Rx3=0.055 x 1.2 / (2 x 15 2 ) = 1.5x10
-4 Ns2m-8 Req = R1 + R2 + Rx1 + Rx2 + Rx3 = 0.038 Ns2m-8
Resistências equivalentes de associações de dutos (galerias) de ventilação: Em uma mina, galerias com R diferente encontram se conectadas umas às outras.
Dependendo da configuração da mina e do modo são feitas as conexões, pode ser possível encontrar um valor de R único representando todo o circuito de ar (é a chamada “resistência equivalente” do circuito).
Para determinar a resistência equivalente do circuito, é preciso identificar as associações de dutos (galerias) de ventilação.
Tipos de associações simples de galerias: Em série – a mesma vazão passa por R1 e R2; a perda de carga total é a soma das perdas em R1 e R2.
Em paralelo – a vazão que passa em cada galeria é uma fração da vazão total; a perda de carga em R1 é igual à perda em R2.
Cálculo das resistências equivalentes: Em série ...
R eq
R
1
R
2 ...
Em paralelo ...
1
R eq
1
R
1 1
R
2 ...
Obs.: em uma associação de duas galerias em paralelo, a vazão na galeria 1 é dada por ...
(Q T = Q 1 + Q 2 )
Q
1 1
R
2
R
2
R
1
R
1
Q T
Sempre que possível, deve-se conduzir o ar por galerias em paralelo. A associação em paralelo reduz drasticamente o valor da resistência equivalente do trecho, de forma que a condução do ar provoca menores perdas de carga.
Exemplo: Calcule a perda de carga originada pela passagem de 50 m 3 /s de ar em uma galeria com resistência total R = 0.1 Ns 2 m -8 .
Ht = R Q 2 ; Ht = 0.1 (50) 2 = 250 Pa
Exemplo:
Suponha que é possível colocar em paralelo duas galerias, cada uma com R = 0.1 Ns 2 m -8 . Qual a perda de carga pela passagem de 50 m 3 /s ?
1
R eq
1
R
1 1
R
2
R eq
R
1 4 0 .
1 0 .
025 4
Ns
2
m
8
H t
R eq Q
2 0 .
025
x
50 2 62 .
5
Pa
Potência estática de ventilação: É o produto da perda de carga H ao escoamento do ar.
t pela vazão que potência estática de ventilação representa a energia mecânica, por unidade de tempo, associada
(Unidade do SI: watt)
Pot = H t Q
Exemplo: quando há Qual a potência estática de ventilação que ocorre uma perda de carga de 62.5 Pa?
empregada escoamento de 50 m3/s de ar por uma galeria em Pot = Ht Q = 62.5 x 50 = 3125 W.
Observação : A potência estática potência elétrica de real que ventilação (Pot) será necessária não é igual à para mover uma determinada elétrica real, é vazão . Para obter-se a preciso considerar ainda a velocidade PV e os rendimentos potência pressão característicos ventiladores e motores empregados no sistema.
de dos
Exercícios gerais sobre leis da ventilação: 1 – Qual a pressão requerida para uma vazão de 5 m3/s de ar escoar através de uma galeria circular de 3 m de diâmetro e 1200 m de comprimento (k = 0.02 Ns2m-4) ? Resp.: 16 Pa.
2 – Uma galeria de 1000 m de comprimento apresenta uma diferença de pressão de 125 Pa. Qual a pressão de ventilação requerida para obter se esta mesma vazão quando a extensão da galeria for de 1800 m ? Resp.: 225 Pa.
3 – Quando o diâmetro de um poço passar de 4 m para 6 m, qual a relação requerida (p 2 /p 1 ) na pressão de ventilação, para manter-se a mesma vazão?
Resp.: p2/p1 ≈ 0.13.
4 – Um exaustor que proporciona 100 m3/s e uma depressão de 8000 Pa é trocado por um novo que oferece 18 000 Pa. Calcule a nova quantidade de ar que circulará na mina.
Resp.: 150 m3/s.
5 – Se 1000 Pa são necessários para fazer circular 20 m3/s, qual a pressão requerida para circular 40 m3/s ?
Resp.: 4000 Pa.
6 – Qual a potência estática de ventilação quando 55 m3/s circulam sob uma pressão de 900 Pa ?
Resp.: 49.5 kW.
7 – Em uma mina circulam 120 m3/s de ar a uma pressão de 3000 Pa. Calcule a resistência equivalente do circuito e a potência de ventilação.
Resp.: 360 kW.
8 – Calcule a resistência combinada de duas galerias paralelas com R 1 Ns2m-8 e R 2 = 12 Ns2m-8.
= 3.47 Resp.: 1.46 Ns2m-8.
9 – Duas galerias paralelas de mesma seção transversal possuem 1000m e 500m de comprimento. A vazão total de ar é de 51 m3/s. Calcule a vazão em cada galeria.
Resp.: Q1=21.13m3/s; Q2=29.87m3/s.
10 – Para o circuito de ventilação da figura abaixo, determinar a resistência equivalente e a pressão (estática) necessária para movimentar uma vazão de 47.2 m3/s. Finalmente, calcular a vazão de ar em cada trecho do circuito. Resistências (em Ns 2 m -8 ): R1=0.0559; R2=0.1342; R3=0.1118; R4=0.0838; R5=0.1399; R6=0.1453; R7=0.1062; R8=0.1677; R9=0.1509; R10=0.0447.
Solução: Ra = R4 + R5 + R6 = 0.3689 Ns2m-8 Rb = R7 + R8 + R9 = 0.4248 Ns2m-8 Rc = Ra // R3 (associação em paralelo entre Ra e R3) Rc = 0.047 Ns2m-8 Rd = R2 + Rc = 0.1811 Ns2m-8 Re = Rb // Rd ( assoc. em paralelo entre Rb e Rd) Re = 0.066 Ns2m-8 Resistência equivalente do circuito ...
Rf = R1 + Re + R10 = 0.1666 Ns2m-8 Pressão estática para circular uma vazão de 47.2 m3/s ...
H = Rf Q 2 = 0.1666 (47.2) 2 = 371 Pa.
Vazões em cada trecho: Q1 = Q10 = 47,2 m3/s Q2 = 28,6 m3/s Q3 = 18,4 m3/s Q4 = Q5 = Q6 = 10,2 m3/s Q7 = Q8 = Q9 = 18,6 m3/s
-----------------
6.Ventiladores
Ventiladores são os equipamentos que fornecem a energia necessária ao ar para que ele se mova no interior das galerias.
Os ventiladores provocam uma diferença de pressão no ambiente da mina; o ar move-se devido a esta diferença de pressão.
Ventiladores
São equipamentos destinados a mover grandes quantidades de ar, a pressões moderadas (em geral, abaixo de 3 kPa).
Tipos de ventiladores ...
axiais e centrífugos Axiais: Nestes ventiladores, a direção do escoamento do ar é aproximadamente paralela ao eixo do rotor.
É um equipamento que permite o ajuste do ângulo de ataque das pás (passo) do rotor, proporcionando um significativo aumento de vazões (versatilidade), dependendo do passo escolhido para a operação.
São os ventiladores mais comumente usados em mina subterrânea.
Ventiladores axiais de vários tamanhos e configurações Dispositivos de ajuste do ângulo de ataque das pás (passo) do rotor de um ventilador axial
Ventilador axial instalado em mina subterrânea
Curvas características de ventiladores: Cada modelo de ventilador possui um conjunto de curvas que caracterizam seu desempenho. Existem curvas de pressão, potência e eficiência em função das vazões produzidas pelo equipamento.
Exemplo de curvas características (ver próximo slide) ...
Uma desvantagem dos ventiladores axiais, em relação aos centrífugos, quando operam em altas pressões: há uma zona de instabilidade de funcionamento em sua curva característica pressão x vazão, representada pelo trecho E-D na figura abaixo.
Nestas condições (denominada stall condition), além da redução de eficiência, há uma tendência de aumento da vibração no rotor, causando desgaste prematuro de peças. O fabricante recomenda não operar nesta faixa de vazões.
Exemplo de curvas características de um ventilador axial, para vários ângulos de ataque das pás do rotor. (Obs.: o aumento do ângulo de ataque exige maior potência do motor elétrico, que deve ser adequadamente dimensionado).
Curvas para vários ângulos de ataque
Curvas de um ventilador axial de 75 cv, vendido comercialmente.
Algumas questões a respeito do ventilador de 75cv cujas curvas aparecem no slide anterior:
- Qual a pressão desenvolvida pelo ventilador quando a vazão movida por ele é 20 m 3 /s ? (1 mmWG = 9.81 Pa)
Resp.: 200 mmWG (pressão total).
- Qual a potência consumida pelo motor elétrico do ventilador quando a vazão é 20 m 3 /s ?
Resp.: 50 kW.
- Qual o custo de energia elétrica por dia de funcionamento deste ventilador, supondo que ele movimenta 20 m 0.20/kW-h ?
(supor que a potência
3
consumida
/s durante todo o período (24 horas), considerando que o valor da energia é R$
é igual a potência obtida da rede elétrica) Resp.: 0.20 x 24 x 50kW = R$ 240,00 .
Redução de ruído em ventiladores axiais:
Algumas situações exigem redução de ruído por parte do ventilador axial (ex.: ventilador instalado dentro de mina; vent. próximo de zonas urbanas, ...).
Neste caso, os fabricantes fornecem dispositivos que diminuem a emissão sonora dos ventiladores. Estes dispositivos provocam uma certa perda de verificada com o fabricante.
vazão, que deve ser
Redutores de ruído ...
Ventilador
Pressões em um ventilador: A Pressão total (PT) de um ventilador, para uma dada vazão, refere-se à soma da Pressão estática (PS) e da Pressão de velocidade (PV) desenvolvidas pelo equipamento.
PT = PS + PV
Ventiladores
Ventiladores Centrífugos: direção São equipamentos nos quais o ar penetra na do rotor e é permitem ajuste do passo.
despejado radialmente.
Atualmente, sua aplicação em mina subterrânea está ligada à necessidade de se obter altas pressões. São ventiladores mais robustos (menos manutenção), porém são de maior custo de aquisição e não
Ponto de operação de um ventilador: É o ponto de equilíbrio entre a pressão estática (PS) fornecida pelo ventilador e as perdas totais de pressão (Ht) provocadas durante o escoamento do ar (então, PS=Ht).
O ponto de operação define o regime de funcionamento do equipamento em termos de pressão e vazão, quando conectado a um circuito de ventilação.
Para obter-se o ponto de operação, superpõe-se a curva da mina e a curva característica do ventilador em um gráfico Q x P .
Ponto de operação de um ventilador
Ponto de operação
O ponto de operação de um ventilador pode mudar durante seu funcionamento.
induzirem alterações no É comum ocorrerem mudanças no circuito de ventilação e estas mudanças ponto de operação do equipamento.
Alongamentos dos circuitos de ventilação provocam aumento de resistência equivalente, de modo que o ventilador responderá com redução de vazão a estas mudanças (...e aumento da pressão de operação).
Em outras situações, a abertura de portões ou barragens fará com que o circuito de ventilação tenha sua resistência reduzida, provocando aumento de vazão nos ventiladores.
Exercício : Calcular a vazões resistência equivalente (R de cada trecho estão EQ ) do circuito de ventilação da figura ao lado, considerando que as perdas de carga e as discriminadas diretamente no diagrama. Encontrar o ponto de curva característica operação para o ventilador cuja encontra-se na Tabela A, quando conectado ao circuito.
Tabela A: curva característica do ventilador Pressão estática (Pa) 500 1000 1500 Vazão (m3/s) 30 20 2
Solução : R EQ = R AB + R CD + R DE R AB = 61/(18.8) 2 = 0.17 Ns 2 m -8 R CD = 124/(18.8) 2 = 0.35 Ns 2 m -8 R DE = 88/(18.8) 2 = 0.25 Ns 2 m -8 R EQ = 0.17 + 0.35 + 0.25 = 0.77 Ns 2 m -8 Ponto de gráfica operação ao lado): (conf.
solução H = 610 Pa (pressão Q = 27 m3/s do ventilador)
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________________________________________________ Algumas conversões de unidades úteis ________________________________________________
1 mmCA = 1 mmWG = 10 Pa 1 in.WG = 254 Pa 1 atm = 101 325 Pa 1 CV = 735.5 W 1 HP = 745.7 W 1 CV = 0.9863 HP 1 cfm = 0.0283 m 3 /min = 4.72x10
-4 m 3 /s
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7.CONTROLE DA VENTILAÇÃO
Objetivos: Manter as condições de higiene e segurança dos trabalhadores O que devemos medir?
- Vazão - Velocidade do ar - Pressão - Temperatura - Umidade - Contaminantes (gases e poeiras)
VAZÃO
- é o parâmetro principal de ventilação.
- O controle de vazão serve para:
Verificar se as necessidades de ar e limites de velocidade estão sendo atendidos; Localizar fugas no circuito de ventilação; Verificar o ponto de operação dos ventiladores da mina (principal e auxiliares).
VAZÃO (Q) Q = V · A
( m 3 /s ou m 3 /min) V= velocidade do fluxo de ar; A= área da seção transversal da galeria.
Dependendo da velocidade do fluxo de ar, diferentes tipos de equipamentos de medida podem ser utilizados. O equipamento mais utilizado em mineração é o anemômetro de pás.
Anemômetro de pás
Outros equipamentos para medidas de vazão: Termoanemômetros; Tubo de fumaça; Velômetros; Tubo de Pitot.
Procedimentos de medida
Dependem disponível.
principalmente do tipo de equipamento
Anemômetros de medição instantânea: possuem tempo de integração muito curto, medindo a velocidade instantânea de escoamento do ar que passa pelo equipamento.
Posicionamento do anemômetro na galeria
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Anemômetros integradores: medem a velocidade média de escoamento do ar após um certo tempo de integração (1 minuto, p.ex.).
Exemplo de levantamento de vazão
...
Exemplo de registros de levantamento de vazão ...
PRESSÃO
Medidas de diferenças de pressão do ar entre pontos distintos no interior da mina dão informações sobre as perdas de carga no circuito de ventilação.
Objetivos:
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Estimar a resistência equivalente total e de trechos do circuito de ventilação; Localizar fugas no circuito de ventilação; Verificar os pontos de operação dos ventiladores principais da mina em sua curva característica P x Q.
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As medidas de diferença de pressão entre dois pontos são feitas utilizando-se manômetros diferenciais.
A medida de pressão absoluta em um ponto é feita com a utilização de barômetros.
Modos de medir a diferença de pressão entre dois pontos do circuito de ventilação: métodos diretos e métodos indiretos.
Métodos diretos de medida de pressão
Métodos diretos utilizam manômetros diferenciais circuito como um todo.
para realização das medidas. O objetivo das medidas de pressão diferencial é avaliar a perda de carga em determinados trechos do circuito de ventilação ou no
Continuação...
Para propósitos práticos, os equipamentos devem possuir sensibilidade em torno de 1 mmCA (+/- 10 Pa). Sensibilidade menor pode ser admitida nos manômetros que fazem o acompanhamento dos ventiladores principais.
Continuação...
Métodos indiretos de medida de pressão
Métodos indiretos de medida de pressão utilizam barômetros aneróides ou altímetros.
Estes equipamentos medem a pressão estática absoluta em um ponto. Perdas de carga entre dois pontos são calculadas por diferença e precisam de correções.
Tubo de Pitot
É um dispositivo que serve para medir pressão total (PT), pressão estática (PS) e pressão de velocidade (PV) em dutos de ventilação ou em ventiladores. Precisa ser conectado a um manômetro para executar as medidas de pressão.
Pode ser usado no cálculo da velocidade do escoamento do ar, pois PV = PT – PS = ρv 2 /2, então v = (2 PV/ρ) 1/2 . O uso limita-se às situações onde a velocidade do ar é suficientemente elevada.
Tubo de Pitot
Diagrama simplificado de uso do tubo de Pitot para executar medidas de pressão total e estática em um exaustor de mina, posicionado na superfície.
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TEMPERATURA E UMIDADE
Parâmetros do clima em subsolo:
Temperatura de bulbo seco (t s );
Umidade do ar, que pode ser caracterizada pela temperatura úmida (t u ) e pressão barométrica (p);
Velocidade do ar (v) nas proximidades do corpo humano;
TEMPERATURA E UMIDADE Índices de conforto térmico:
Existem vários índices idealizados para representar o conforto térmico dos trabalhadores, entre os mais comuns estão a Temperatura Efetiva e o IBUTG. O índice a ser usado depende do país ou região.
Temperatura Efetiva
Definição:
A Temperatura Efetiva (t e ) foi idealizada pela American Society of Heating and Ventilating Engineers para caracterizar o conforto térmico dos trabalhadores.
O valor de t e é determinado a partir dos valores t u , t s e velocidade do ar, usando-se o ábaco presente no próximo slide.
Temperatura Efetiva
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A temperatura efetiva é um índice utilizado em vários países para determinação do conforto térmico.
Equipamentos anemômetro.
usados – psicrômetro e Psicrômetro: equipamento que combina termômetro de bulbo seco e outro de bulbo úmido.
um
Carta Psicrométrica: relaciona t s e t u com a umidade relativa do equipamento e podem ser encontradas na literatura de ventilação de mina).
Índice IBUTG
No Brasil, este índice é utilizado na indústria para a especificação de níveis de exposição a ambientes quentes para o trabalhador. Foi regulamentado pela norma do Ministério do Trabalho NR-15, Anexo 3 .
É um índice obtido a partir da medida da temperatura de bulbo úmido natural e temperatura de globo, e representa a média ponderada destas medidas (Clezar, 1999 pág. 253).
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Termômetro de bulbo úmido natural
é um termômetro de bulbo úmido que difere dos utilizados nos psicrômetros pelo fato de não se impor uma velocidade forçada ao ar e o bulbo não ser protegido contra radiação térmica.
Termômetro de globo
consiste de um termômetro cujo o bulbo fica posicionado no centro de uma esfera metálica oca com quinze centímetros de diâmetro, tendo sua superfície externa pintada de preto fosco.
Ambientes internos ou externos sem carga solar: IBUTG = 0,7 tun + 0,3 tg tun = temperatura de bulbo úmido natural tg = temperatura de globo
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Equipamentos utilizados: Termômetro de globo Termômetro de bulbo úmido
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Equipamentos de medida:
Bomba de aspiração e tubos colorimétricos;
Detectores de gases;
Metanômetros;
Oxímetros;
Equipamentos de medida:
Coletor de poeira p/indivíduo:
mede a quantidade de poeira ao qual o indivíduo ficou exposto durante a jornada de trabalho.
filtros coletores bomba de sucção