GESTIÓN DEL AMBIENTE SUBTERRÁNEO
3.6 Explosión e incendio
3.6.6 Medidas correctivas .1 Para explosiones
Entre las técnicas utilizadas para controlar las explosiones en minas subterráneas están las barreras de polvo inerte y las barreras pasivas.
La barrera de polvo inerte es una técnica muy utilizada para mitigar o atenuar los problemas de explosión en minas de carbón. La técnica consiste en suspender en el techo de las aberturas subterráneas sacos de polvo inerte (fig. 3.59), de manera que con la acción de la onda expansiva inicial de choque se logren deteriorar los sacos de polvo inerte o entonces las llamas del incendio provoquen la combustión en estos sacos.
Figura 3.59 Barrera de polvo inerte en el techo de la abertura subterránea, antes y después de la explosión (Mina de carbón Bulli Colliery, Illawarra Region,
Australia, 2002)
Una vez que el saco de polvo inerte se deteriora, el contenido se extiende y se unirá a la concentración del aire de la atmósfera subterránea conjuntamente con el polvo de carbón, diluyendo la concentración de este y de esta forma evitando la continuidad de las explosiones a otras áreas y consecuentemente el incendio.
La distribución de las barreras de polvo inerte, puede ser dimensionada de la forma definida por Du Plessis J.J.L. et al., 1997. La cantidad de sacos de polvo inerte para cada barrera Qsb (sacos/barrera) se calcula con la ecuación (3.110) con base en la longitud L (m) y la altura H (m) de la abertura, la distancia de protección Dp (100 m), la masa volumétrica del polvo inerte pi (1000 kg/m3), el peso de cada saco de polvo inerte Ppi (6 kg/saco) y el número de barreras Nb.
b pi
pi p
sb P N
Q LHD
(3.110) La distribución de los sacos se puede hacer con una distancia longitudinal y transversal de 2 m entre los sacos colgados (fig. 3.60).
La presión dinámica Pd (kPa) a que trabaja la barrera se determina con el sensor Kistler 9203 o similar (Du Plessis, J.J.L., et al., 1997) y mediante la ecuación (3.111), en función de la presión total Pt (kPa) y la presión estática Pe (kPa).
Pd = Pt – Pe (3.111)
La temperatura de explosión en la posición de la barrera Te (ºK) se puede estimar utilizando la Ley de Stefan-Boltzmann (Du Plessis, J.J.L., et al., 2000) expresada por la ecuación (3.112), en función del flujo de calor Qe (W/cm2) y la constante (5,67x10-12 W/cm2K4).
Figura 3.60 Distribución de los sacos de polvo inerte en el ambiente subterráneo (Mina de carbón Bulli Colliery , Illawarra Region, Australia, 2002) Qe = Te 4 (3.112)
En algunos países también se utilizan barreras de agua, para explosiones con velocidad dinámica menor que 25 m/s.
Las barreras de polvo inerte o de agua tienen la desventaja de depender de la onda de choque para dispersar el polvo inerte o el agua, por lo que las barreras de obstáculos incorporan una fuente de energía interna.
Un proyecto típico de barreras con obstáculos consiste en un tanque de agua conectado a un dispositivo concentrado en la boca de la abertura subterránea y en zonas de corta longitud. Un diafragma del sistema impide el flujo del agua de tanque para sus bocas, en circunstancias normales de operación. Un frasco de bióxido de nitrógeno comprimido o de carbono se introduce dentro del tanque de agua.
Dentro del frasco de gas un calefactor hace que el gas se expanda y funcione el disco de ruptura. Esto causa la presurización muy rápida del agua, la rotura del diafragma del sistema y entrega de agua a alta presión en las bocas. Cerca de cien litros de agua se pueden dispersar en menos de un segundo. Algunos proyectos utilizan un combustible pulverizado en lugar del agua provista de un explosivo suave en vez del recipiente de gas.
La activación de una barrera de obstáculo se inicia por una señal eléctrica de un dispositivo detector situado cerca del área de funcionamiento, donde es más probable que una explosión empiece.
Los sensores infrarrojos y ultravioletas de la temperatura y de la presión son utilizados como dispositivos de detección. Además de la fuente de energía activa para dispersar el fuego, una ventaja de la barrera es que puede ser seleccionada a una distancia adecuada entre el sensor y la barrera. Esto asegura que la barrera esté activada en el momento correcto cuando la llama se aproxima.
3.6.6.2 Para incendios
Las medidas preventivas para los incendios, constituyen una buena práctica para evitar desastres de grandes dimensiones en minas subterráneas, sin embargo, cuando se detecta un nivel de impacto o riesgo de incendio las medidas de
mitigación o combate de incendios se pueden realizar mediante las siguientes técnicas:
a) Utilización de extintores químicos
Espumas, son una emulsión de un producto espumoso en agua, recomendable de aplicar a una distancia de 8 m y a una presión de 5 kg/cm2. Básicamente apaga por sofocación, al aislar el combustible del ambiente, ejerciendo también una cierta acción refrigerante debido al agua que contiene. Dependiendo de su uso, existen tres tipos de extintores de espumas:
o Extintor portátil, utilizado para pequeños incendios;
o Extintores con gran cantidad de espumas, aplicables a incendios mayores;
o Espumas con partículas sólidas, utilizadas para prevenir los incendios.
Generalmente las espumas son fabricadas con base en la reacción química siguiente:
6NaHCO3 + Al2(SO4)3 = 3 Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 6 CO2
Polvo químico seco, está constituido por sales químicas de diferente composición, capaces de combinare con los productos descompuestos de combustible, paralizando la reacción en cadena.
Pueden ser de dos clases: normal o polivalente.
Los polvos químicos secos normales son sales de sodio o potasio, perfectamente secos, combinado con otros compuestos para dar fluidez y estabilidad. Son apropiados para fuegos de combustibles líquidos y de gases.
Los polvos químicos secos polivalentes tienen como base fosfatos de amonio, con aditivos similares a los anteriores. Además de ser apropiados para fuegos de líquidos y de gases, sirven también para sólidos, ya que cubren las llamas con una película que las sella, aislándolas del aire. No son tóxicos ni conducen electricidad a tensión normal, por lo que pueden ser usados en fuegos con presencia de tensión eléctrica.
b) Aplicación de agua
El agua es el medio más barato y más efectivo en la extinción de incendios, por su acción refrigerante debido a su alto calor latente (calor latente de vaporización del agua = 539 cal/g) y de evaporación.
El calor requerido para evaporar un kilogramo de agua a 20 ºC es de 619 Kcal.
El agua debe ser aplicada a una distancia entre 3 m y 30 m con presión que no sea superior a 10 kg/cm2. Es recomendable usar aditivos como NaHCO3, KHCO3, NaCl, Na2CO3, NH4Cl, Na2SiO3, Na2SO4, MgSO4, CaCl2, K2CO3, (NH4)2HPO4, etc.
c) Emulsiones con agua
Son una mezcla de agua con arena/ceniza/barro/cemento y limo en proporción de 10:1, que actúa como barrera incombustible al ser aplicado en el yacimiento de carbón, utilizando barrenos o fracturas existentes.
d) Ventilación
La ventilación estratégica cumple un papel muy importante en la protección de la vida del personal y control de los incendios en aberturas subterráneas. Las
técnicas conocidas son diversas como el sistema de doble entrada de aire; la ventilación inversa y cortocircuito del incendio. Un incendio en una galería principal de la entrada es probablemente la mayor amenaza a la vida, debido a que habrá un mayor número de personas expuestas al humo y al fuego y, por consiguiente, un sistema de doble entrada de aire, puede reducir la pérdida de vidas.
La ventilación inversa reduce la exposición de personas al fuego y gases en el momento del incendio, a pesar de ser un poco complicada a su implementación práctica.
En algunas circunstancias puede haber algún mérito en el cierre de puertas para el paso del aire (fuego) para reducir la corriente de aire que alimenta el incendio. La concentración de los gases de incendio en una galería de retorno aumenta el cortocircuito, y que, dependiendo de la cantidad y del sentido del aire, podría revertir el flujo debilitado por el cortocircuito.
En minas mecanizadas de carbón explotadas por el método de cámaras y pilares es importante la utilización de ventiladores de chorro con manga suspendida en el techo de las cámaras, y para la generación de aire turbulento el uso de un regulador de la recirculación de aire y sistemas de control con ventiladores instalados en el CM (continuous mining).
Investigaciones realizadas sobre el uso de ventiladores de chorro muestran que son eficaces. Estos ventiladores pueden ser de dos tipos de flujo del aire: el modelo en “U” y el modelo denominado figura 8 (Meyer, C. F., et al., 1999) (fig.
3.61).
Figura 3.61 Modelos de flujo de aire usando ventiladores de chorro (Meyer, C. F., et al., 1999)
El sistema de control mediante la recirculación de aire en los frentes de corte (desmonte) está basado en el caudal de aire y localización de ventiladores (fig.
3.62 izquierda), pero tiene la desventaja de su alto costo. Para velocidades inferiores a 0,40 m/s el polvo no aumenta con la velocidad del aire, pero cuando la velocidad del aire excede los 4,0 m/s el polvo aumenta en proporción de la velocidad.
El sistema de control mediante ventiladores instalados en el CM se denomina también sistema de cabeza húmeda (fig.3.62 derecha) que se utiliza en la operación de corte de este equipo.
Ventilador de chorro
Entraday salidade aire
Ventilador de chorro
Entraday salidade aire
~8 m
a) Modelo figura “U” b) Modelo figura 8
Figura 3.62 Sistema de control de la recirculación del aire y con ventiladores instalados en el CM (Meyer, C. F. et al., 1999)
Mediante el sistema de ventilador a chorro es posible controlar cámaras (que constituyen pasajes de aire) con anchura de 6 m a 10 m, y usando adicionalmente filtro (de aire) hasta más de 20 m. Es recomendable usar un chorro de agua instalado a 0,30 m con ángulo de 30º en el sitio y entre 10º a 20º en el tambor de corte (Meyer, C. F., et al., 1999).
Para la evaluación de la eficacia del sistema se utiliza el índice MSI (Methane Safety Index) que se determina mediante la ecuación (3.113) con base en la gradiente actual de metano (GAM) y la gradiente teórica admisible de este gas (GTAM).
GTAM
MSI GAM (3.113)
El índice MSI es un indicador de las condiciones de ventilación y niveles de riesgo ambiental en los frentes de corte (explotación) mediante equipo mecanizado como CM, cuyo ámbito de valores se indican en el Cuadro 3.75.
Cuadro 3.75 Situación de la ventilación y nivel de explosividad en la atmósfera de la zona de corte por MC en función del índice MSI (Meyer, C. F., et al., 1999)
Índice MSI Situación ambiental
MSI 0 La ventilación es buena en la zona de avance del MC
0 <MSI 1 La ventilación aún conserva el metano dentro de límites admisibles
1 <MSI 3,5 La ventilación no consigue diluir el metano a niveles permisibles. El valor 3,5 indica el límite inferior de explosividad del metano (5%).
MSI> 3,5 La operación de corte del MC debe parar, porque la atmósfera es explosiva en esta zona específica.
e) Cierre de aberturas
La técnica de cierre de las aberturas subterráneas tiene dos propósitos principales: evitar el ingreso de oxígeno a la zona del incendio y aislar el área para evitar la contaminación de otras áreas con gases y humos.
Dos aspectos muy importantes son frecuentemente usados en el cierre de áreas de incendio:
Ventilador
Ventilador
1. El flujo de aire se debe mantener hasta el último momento posible, a fin de tener control sobre los gases inflamables. La fluctuación del caudal y la presión no siempre afecta la dilución pero puede causar acumulación de gases.
2. Todos los ambientes con presencia de hombres necesitan el cierre de forma simultánea. Si no es así, el corte de la ventilación puede provocar explosión en las áreas que continúan el trabajo.
Cuando se cierra un área se filtra un poco de aire por la diferencia de presiones entre ambientes vecinos, esta corriente de aire puede retardar la extinción de fuego y en el caso de una combustión espontánea puede continuar el proceso de oxidación de forma indefinida. Los pasos para el equilibrio de presión se ilustran en la fig. 3.63.
Figura 3.63 Equilibrio de presión mediante cierre de aberturas subterráneas para mitigar el incendio
En el caso a) la diferencia de presión entre A y B es entrada–retorno. En el caso b) la diferencia de presión es mucho menor, sin embargo la caída de presión es aproximadamente a lo largo del retorno de B a A. En el caso c) la diferencia de presión se reduce con el avance de dos frentes y la conexión de las cámaras.