GESTIÓN DEL AMBIENTE SUBTERRÁNEO
3.6 Explosión e incendio
3.6.3 Caracterización de las explosiones e incendios .1Explosiones
Caracterización de polvos explosivos: solo el polvo en forma aislada no explota sin la presencia de un agente oxidante (oxígeno) y una fuente de ignición.
Una condición principal para la explosión del polvo es que las partículas sean de tamaño pequeño (superficie) y permitan un fácil acceso de una suficiente cantidad de oxígeno para la combustión.
La explosividad de una partícula se caracteriza por la presión de explosión, por la sensibilidad a la ignición y por el coeficiente de explosividad.
El nivel de violencia de la explosión depende de la máxima presión generada en poquísimo tiempo (40 ms). La explosión de los polvos produce presiones próximas de 1 MPa a razón de 100 MPa/s.
El coeficiente de explosividad (Kex), se puede determinar con la tasa máxima del aumento de la presión (Pm) y la tasa de aumento de la presión media (Pmm) para un tiempo de un segundo y con la ecuación (3.97), determinados en ensayos de laboratorio (Holding, W., 1994).
m mm
0.5ex P P
K bar/s (3.97) Polvos con Kex <70 son considerados no explosivos, con valores de Kex
entre 70 y 95 presentan riesgo de explosividad y con Kex> 95 son explosivos, por consiguiente necesitan monitoreo constante.
El polvo de carbón explosivo tiene un tamaño menor a 240 m, que pasa por la malla de 60 mesh. La mínima concentración de propagación de polvo de carbón sin riesgo de explosión es de 50 g/m3 y la máxima violencia de la explosión ocurre con concentraciones de 150 a 350 g/m3.
La velocidad de deflagración de las ondas de choque alcanza un valor de 1120 m/s a una presión de 1,36 MPa y la de detonación puede ser mayor que 2000 m/s con presiones de 5 MPa.
La concentración de polvo incombustible presente en el polvo de carbón (S) se determina en función de su explosividad, que se expresa por el índice de explosividad (Iex) y mediante la ecuación (3.98). Este índice es utilizado como guía para el cálculo de polvo incombustible requerido.
S Iex S
100 (3.98) Para el polvo de carbón el coeficiente de explosividad viene dado por la ecuación (3.99) en función del porcentaje de material volátil (vm).
3 2 .
4
vm
Kex (3.99) Caracterización de gases explosivos: Los gases explosivos presentes en la atmósfera subterránea de minas son principalmente el metano (CH4), hidrógeno (H) y monóxido de carbono (CO). De estos gases el que genera frecuentes catástrofes humanas es el metano presente en el gas grisú siendo la presencia del grisú prácticamente sinónimo de metano.
Los gases son usualmente clasificados en tres categorías: aire, gases combustibles (metano, hidrógeno, monóxido de carbono) y gases inertes (exceso de nitrógeno y exceso de bióxido de carbono).
La proporción de estas categorías de gases presentes en la atmósfera subterránea determina su nivel de explosividad caracterizada por el triángulo de Coward (fig. 3.57).
Figura 3.57 Triángulo de Coward para metano, hidrógeno y monóxido de carbono En el triángulo de Coward representado por la fig. 3.57, el punto P tiene 95% de aire y 5% de metano y constituye límite inferior de explosividad, en el punto Q existe 86% de aire y 14,5% de metano, siendo el límite superior de explosividad y en el punto R está presente 60% de aire y 6% de metano. Estos tres
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
20
15
10
5
0 0
25 50 75 100
% Oxígeno
% Aire
S
B B´ P
Q
R
Y A
A´
O P´
Q´
% Gas Combustible
Triángulo por CH4
Triángulo por H2 Triángulo por CO
puntos forman el triángulo PQR que representa gas explosivo resultante de la mezcla de aire con metano.
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
En condiciones normales el metano es inerte, la característica principal es su inflamabilidad y explosividad cuando se mezcla con el aire. Por combustión y explosión se transforma en agua y dióxido de carbono.
La combustión del metano sucede en mezclas con contenido de 5 a 6% de CH4 (límite inferior) a 14 a 16% (límite superior), y en términos generales se puede referir entre 5% y 15% (McPherson, M.J. 2001). Con concentraciones menores que 5 a 6% el hecho de retirar la fuente inflamable paraliza la combustión, pero con concentraciones mayores que 14 a 16% de CH4 la combustión sigue. El metano en mezcla con el oxígeno del aire al entrar en combustión y explosión genera la reacción química siguiente:
CH4 + 2(O2 + 4N2) = CO2 + 8N2 + 2H2O
La explosión más débil ocurre con la mezcla de 9,5% de metano, o sea una relación de 1:11 en volumen (1 de CH2 y 11 de aire, 2O2 + 8N2). Con un contenido de CH4 superior a 9,5% el oxígeno no es suficiente para quemar todo el CH4 y la reacción conduce a la formación de CO y H2.
CH4 + O2 = CO + H2 + H2O
La temperatura de inflamabilidad del metano comparado con otros gases inflamables es alta (700 ºC) y el límite de inflamabilidad varía entre 5 y 14,5%
(Cuadro 3.66). La presencia de gases combustibles en la mezcla de aire y metano puede aumentar la explosividad.
Cuadro 3.66 Temperatura y límite de inflamabilidad de algunos gases comparados con el metano
Gas Temperatura de
inflamabilidad (ºC) Límite de inflamabilidad (%)
Metano 700 5 – 14,5
Etano 548 3,2 – 15,0
Propano 514 2,4 – 7,4
Hidrógeno 585 4,1 – 74,0
Óxido de carbono 685 12,4 – 75,0
3.6.3.2. Incendios
En los incendios ocurre un complejo proceso de oxidación de gases de material sólido, oxidación con emisión de calor y luz y finalmente combustión y generación de llama, que para el metano se puede representar mediante las ecuaciones a seguir:
CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2
2CH4 + 3O2 = 4H2O + 2CO 3CH4 + 5O2 = 6H2O + 2CO + CO2
El impacto ambiental de la atmósfera subterránea por causa de incendios está relacionado con el aspecto dinámico, térmico y de intoxicación provocado por el gas CO (fig. 3.58) que ya fue detallado en el Cuadro 3.61.
Figura 3.58 Gases y humo por la boca de la mina y chimenea, son el resultado de los daños provocados por los incendios en ambiente subterráneo
Los registros de incendios en minas subterráneas indican que las principales causas son el uso de energía eléctrica, de los equipos de corte y soldadura (acetileno y oxígeno), de los explosivos, de la fricción, de la acumulación de basura, de gas metano y de la correa transportadora.
Equipos eléctricos: los cables deteriorados pueden provocar la formación de cortocircuitos y como consecuencia el incendio, pudiendo producir combustión de madera y otros materiales y adicionalmente generar gases venenosos como el CO2, como por ejemplo, por la combustión de la cobertura de PVC de cable eléctrico.
También, la operación del sistema de transporte por locomotoras a batería o con trolley, puede generar incendio.
Equipos de corte y soldadura: el metal caliente y las escorias producidas en el proceso de la operación de corte causan incendios. Este aspecto es aún más peligroso cuando la operación de corte es hecha con material inflamable (acetileno y oxígeno) o en áreas próximas de explosivos, estaciones de aceite diesel (combustible) y tintas.
Explosivos: el almacenamiento de cajas de explosivos en ambientes donde se utiliza madera para soportes constituye también una fuente potencial para los incendios. Ciertos accesorios de detonación, en contacto con la madera pueden provocar incendios, como es el caso de cordón detonante, debido a su temperatura de combustión suficientemente elevada.
Fricción: La fricción provocada en el macizo rocoso o fragmentos de roca, resultado de la operación de acarreo, del movimiento de cables metálicos (acero), de la operación de corte, de la perforación o remoción de equipos, pueden ocasionar explosiones e incendios en el caso de existir gases explosivos e inflamables o material combustible (madera, etc.).
El calor generado por el sistema de embragues o frenos es suficiente para generar la ignición del petróleo y otros materiales (masa consistente). La fricción
causada por las telas transportadoras y sus sistemas de operación generan calor que puede ocasionar incendios.
Acumulación de basura combustible: alguna acumulación de residuos combustibles es fuente potencial de incendios, que puede ocurrir de forma espontánea.
Metano: la combustión o explosión de metano es una fuente potencial de incendio principalmente en minas de carbón. Los incendios causados por el gas metano provocaron grandes catástrofes en muchas minas de carbón en el mundo (Cuadro 3.67).
Las estadísticas de 22 años muestran que la mayor incidencia de incendios está relacionada con la combustión espontánea, seguida por el uso de equipos eléctricos, gas inflamable y otras fuentes, siendo por lo tanto importante la caracterización de estos aspectos.
Cuadro 3.67 Incidencias de incendios por 10 Mt de producción de carbón en minas subterráneas, con valores medios cada 3 años
(Con base en Holding, W., 1994) Período
Incidentes por cada 10 Mt (Mega toneladas) Combustión
espontánea Electricidad Gas
inflamable Otros Total 1970 – 1972
1973 – 1975 1976 – 1978 1979 – 1981 1982 – 1984 1985 – 1987 1988 – 1990 1991 – 1992
0,74 1,04 0,62 0,59 0,26 0,20 0,39 0,20
0,25 0,17 0,38 0,39 0,67 0,61 0,48 0,86
0,19 0,12 0,09 0,27 0,22 0,58 0,38 0,40
0,13 0,23 0,14 0,04 0,10 0,41 0,33 0,46
1,32 1,56 1,23 1,29 1,25 1,60 1,58 1,92 Total
%
0,505 33,85
0,476 31,90
0,281 18,83
0,230 15,42
1,492 100 El metano (CH4) es emanado durante la explotación de carbón, quedando retenido bajo presión entre la capa de carbón y la roca encajante. Este metano retenido es liberado en el proceso de explotación cuando el yacimiento de carbón es fracturado. El metano liberado de esta forma escapa del ambiente subterráneo de la mina y eventualmente a la atmósfera.
La mayor emisión global de metano (Cuadro 3.68) ocurre en los países con grande producción de carbón como es el caso de China, E.U.A e India.
Cuadro 3.68 Estimación global de la emisión de metano en minas de carbón (IPCC/OECD/IEA Programme on National Greenhouse Gas Inventories, E.U.A.,
1996)
País Producción de carbón (Mt) Emisión de CH4 (t) Subterráneo Superficial Total Menor Mayor
China 1.024 43 1.066 9,5 16,6
E.U.A. 385 548 934 3,6 5,7
Rusia 393 309 701 4,8 6,0
Alemania 77 359 436 1,0 1,2
India 109 129 238 0,4 0,4
Polonia 154 58 212 0,6 1,5
Australia 52 154 206 0,5 0,8
Suráfrica 112 63 175 0,8 2,3
Checoslovaquia 22 85 107 0,3 0,5
UK 75 14 89 0,6 0,9
Total 2.042 1.762 4.164 22,1 35,9
La emisión de metano en minas subterráneas Gg (m3/hora) puede ser calculada utilizando la ecuación (3.100) recomendada por la IPCC (International Panel on Climate Change, 1996), basada en el factor de emisión Ef (m3 CH4/t) (Cuadro 3.69) y la cantidad de producción de la mina Pm (t/hora).
CH4 = EfPm (3.100) Cuadro 3.69 IPCC factor de emisión Ef (m3 CH4/t) para minas subterráneas de
carbón
Categoría Baja Alta
Explotación 10 25
Post-explotación 0,9 4
En las minas de carbón de los E.U.A., Australia, Alemania, Polonia y Checoslovaquia, para estimar la emisión de metano ECH4 (m3/t) se usa la ecuación empírica (3.101) obtenida con un coeficiente de correlación de r = 0,81 que considera la profundidad media d (m)(Creedy, D.P. et al., 1996).
ECH4 = 0,023d + 4.1 (3.101) La metodología para la previsión de los incendios en minas subterráneas puede basarse en los siguientes indicadores: Graham Index (GI), Willet´s Index (WI), Trickett Index (TI), Morris Index (MI) y Young´s Index (YI), calculados mediante las ecuaciones (3.102) al (3.107).
2
265 2
. 0
100 O N GI CO
% (3.102)
2 2
4 2 2
2
) )(
78 . 3 (
100
CO CO H
CH O N
WI CO
% (3.103)
2 2
2 2
265 . 0
25 . 0 75
. 0
O N
H CO
TI CO
% o (3.104)
2 2
6 2 4
2 2
2
265 . 0
25 . 0 5
. 0 25 . 0 75
. 0
O N
H C H
C H
CO TI CO
% (3.105)
2 2
CO CO MI N
% (3.106)
a deficiênci O
YI CO
2
2 % (3.107) Los índices GI y TI son los más usados cuyos valores típicos están indicados en el Cuadro 3.73.
La velocidad de combustión del carbón es posible calcular mediante el índice CCR (Coal Combustion Rate) expresado en las ecuaciones (3.108) y (3.109) (Giardino, D.A.,1999).
FR C H C
H
C H C
H CH
CO CO
M CCR M
r f
r s
c total
4 2
% 100
% 3 . 1 021 %
.
0 (3.108)
Donde:
4 2 2 2 2
4 2 2 2 2 2
2 2
% 2
%
%
% 4
% 2
% 2
% 2
% 4
% 4
% 073 . 1
H C H C CO CO
H C H C H CO CO
O N C
H
s
(3.109)
En esta expresión, CCR es el índice de combustión del carbón (lb/minuto), FR es el flujo de aire en la zona de incendio (cfm), Mtotal/Mc es la relación de la masa total de carbón con la masa de carbono en el carbón obtenido del análisis final (1,13 – 1,28), (H/C)s es la relación equivalente de hidrógeno como carbono resultante [calculado usando la ecuación (2.109)], (H/C)f es la relación equivalente de hidrógeno con el carbono de carbón (0,50 – 0,68), (H/C)r es la relación equivalente de hidrógeno y carbono de los productos de carbono/bituminoso (un valor 0,3 es usado en el cálculo), % CO2 es el porcentaje de bióxido de carbono, % CO es el porcentaje de monóxido de carbono, % N2 es el porcentaje de nitrógeno, O2 es el porcentaje de oxígeno, H2 es el porcentaje de hidrógeno, % CH4 es el porcentaje de metano, %C2H2 es el porcentaje de acetileno, % C2H4 es el porcentaje de etileno. Estas proporciones y porcentajes son el resultado del análisis del gas.
La aplicación de estas ecuaciones para un incendio en una mina de Pittsburgh Coal Seam resultó en 277 lb/minuto, mientras que una mina de carbón de Illinois dio un resultado de 60 lb/min (Giardino, D.A, 1999).