Modelos computacionales y numéricos del comportamiento de los gases de voladura en la ventilación auxiliar de las galerías mineras

Resum

En el avance de galerías mineras mediante perforación y voladura se producen gases tóxicos como CO y NO2. La presencia de trabajadores en el frente de la galería excavada y en el resto de la mina, depende de que el tapón de dichos gases que se forma en la voladura, o los gases generados por los motores de combustión de vehículos y maquinaria y su dilución mediante el aire aportado por la ventilación alcance valores inferiores a los establecidos por la legislación. De las posibles actuaciones sobre los gases de voladura generados en la excavación de galerías: dilución, prevención, eliminación, supresión y contención, se ha estudiado la actuación más empleada, la dilución de los gases mediante la ventilación auxiliar de la galería excavada. Se ha comprobado que las leyes de dilución de los gases de voladura en el avance de galerías, únicamente son apropiadas para situaciones en las que la sección de la galería, el sistema de ventilación y la cantidad de explosivo empleado se aproximen a las habidas en los ensayos donde se han obtenido dichas leyes. Es imprescindible entonces, cuando las condiciones se desvíen de las iniciales en las que se han obtenido las formulaciones, realizar campañas de medidas para obtener unas leyes experimentales propias para cada caso concreto, que se adapten a los valores reales de concentraciones de contaminantes en función del tiempo. Un primer objetivo de la investigación ha sido el establecimiento de leyes de dilución de los gases de voladura para galería de pequeña sección y cuando se usen pequeñas cantidades de explosivo. Ello tiene gran importancia en el caso de la minería subterránea del carbón y metálica y en las operaciones auxiliares de ejecución de obras subterráneas. Se han realizado dos Grupos de Ensayos. En las investigaciones del Grupo de Ensayos 1, se han obtenido unas leyes experimentales polinómicas y gaussianas de dilución de los gases de voladura para galerías horizontales de pequeña sección, con unos coeficientes de las funciones que son unas constantes para las condiciones particulares de ensayo. Con el objetivo de ampliar el campo de aplicación de las leyes de dilución, se ha realizado un nuevo Grupo de Ensayos en galerías de mayor sección (Grupo de Ensayos 2). Se han obtenido unas nuevas leyes de dilución de tipo exponencial, en las cuales intervienen dos coeficientes que ya son función de los parámetros de la voladura (sección de galería, masa de explosivo, distancia de la lona al frente y caudal de ventilación). Para obtener nuestras leyes de dilución, hemos utilizado los resultados obtenidos, y realizando ajustes estadísticos se han obtenido las leyes de dilución de los gases en función del tiempo, mostrando la diferencia entre los valores obtenidos por aplicación de dichas leyes experimentales y los valores que resultan de aplicar otras fórmulas matemáticas de uso generalizado. El segundo objetivo de la investigación ha sido el desarrollo de modelos del comportamiento de los gases de dilución en 4D mediante la Dinámica de Fluidos Computacional empleando el software Ansys CFX 12.0, con unas buenas correlaciones entre los valores del modelo y las medidas experimentales. Se han comparado los resultados del modelo computacional y de nuestras leyes experimentales. Con los datos obtenidos en los ensayos se ha realizado el ajuste del modelo de dilución. En base a dicho modelo computacional ajustado mediante las leyes experimentales, se pueden obtener las leyes de comportamiento de dilución de los gases de voladura para otras secciones de la galería, otras cantidades de explosivo y otros parámetros de ventilación. Con las leyes experimentales y los modelos computacionales obtenidos se puede analizar cómo se comportan los gases de voladura y saber por tanto en qué momento y condiciones se incorporarán los trabajadores a los frentes de trabajo, si queremos evitar tanto la pérdida de tiempo en la reentrada, como su exposición a valores superiores a lo que permite la legislación.