Ventilação de mina subterrânea (UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)

Ventilação de mina subterrânea

(UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)

Tópicos

1.Poluentes de minas subterrâneas2.Normas para cálculo de necessidades de ar3.Divisores do fluxo do ar4.Configurações de sistemas de ventilação5.Leis da ventilação6.Ventiladores7.Controle de ventilação

Referências principais:

Hartman, H.L., Mutmansky, J.M., Wang, Y.J., eds.,1997, Mine Ventilation and Air Conditioning, 3nd. 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, 2nd 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):Composição do ar normal (puro, sêco):

% em volume% em volume

OxigênioOxigênio 20.9320.93

COCO22 0.03 0.03

Nitrogênio Nitrogênio 78.1078.10

ArgônioArgônio 0.940.94

Total Total 100.00100.00

Estas percentagens serão reduzidas com a Estas percentagens serão reduzidas com a presença de vapor d’água no ar, o qual pode chegar presença de vapor d’água no ar, o qual pode chegar a um valor máximo de 4% .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 (CO2), 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 CO2 – combustão incompleta de matéria

carbonosa, gases de escape de motores diesel e

detonação de explosivos;

NO e NO2 – formados na detonação incompleta de

explosivos e em gases de escape de veículos diesel;

SO2 – formado na detonação de minérios de enxofre,

durante incêndios envolvendo sulfetos (p.ex. pirita),

e em gases de veículos diesel.

(Continuação...)

Metano (CH4) – jazidas minerais de origem

orgânica (carvão) ou apodrecimento de

madeira utilizada em escoramento;

H2S – presente em jazidas minerais de origem

orgânica (p.ex. estratos de carvão);

NH3 – 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 Sintoma

50 Riscos para a saúde em trabalhos que exijam muito esforço

50 - 100 Dores leves de cabeça, dificuldades de respirar após duas horas de exposição

100 a 200 Dores de cabeça, dificuldades de respiração, vertigem, diminuição da capacidade visual e vômitos

500 a 1000 Risco de vida após uma hora de exposição

1000 a 10000 Risco de vida após 3 a 5 minutos

A principal fonte de CO2 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.

LIMITES DE TOLERÂNCIA DO CO2

% Sintoma

1% Respiração mais rápida sem prejuízo para a saúde, exposição rápida

2% Respiração duplicada, cansaço rápido

5% Respiração triplicada e dificultada

6% Sensação de falta de ar (apnéia), enfraquecimento

10% Risco de desmaio

20% Risco de vida após poucos minutos

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.

LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA NO2

Teor (ppm)

Sintomas

2.8 a 5 Sem irritações nas vias respiratórias, alterações no sangue

5 a 10 possíveis doenças pulmonares

10 a 20 Irritação nas vias respiratórias, desaparecimento dos sintomas após adaptação

20 a 30 Aumento do teor de hemoglobina

30 a 35 Longo período de adaptação mas com todos os riscos descritos anteriormente

35 a 54 Irritação forte nas vias respiratórias com tosse, início da intoxicação

55 a 120 Após 3 a 5 minutos, angústia no peito

120 a 200 Risco de vida após uma hora de exposição

200 a 300 Morte

LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA SO2

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 Sintoma

3 - 5 Detectável pelo odor (enxofre)

20 Irritação de olhos, nariz e garganta

50 Pronunciada irritação de olhos, garganta e pulmões

> 700 Risco de morte em minutos

LIMITES DE TOLERÂNCIA PARA NH3

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 H2S

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 (CH4)

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 Oxigênio (%) Metano (%)

B 20 5

C 18 14

E 12 6

Condições de Condições de explosividade do explosividade do metano...metano...

Tabela resumo de gases poluentes de mina (Tabela resumo de gases poluentes de mina (Hartman et al.,1997, Mine Ventilation and

Air Conditioning))

Casos de explosão de metano ocorridos na Casos de explosão de metano ocorridos na mineração de carvão do sul do Brasil ...mineração de carvão do sul do Brasil ...

O caso mais grave: acidente ocorrida na O caso mais grave: acidente ocorrida na Carbonífera Urussanga - SC, 1984.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 dos trabalhadores e apresentar explosividade;

- 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 cujas partículas apresentam diâmetros menores que 5 μm são denominadas “poeira respirável”;

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/m3) 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, ...).


Problemas ocupacionais gerados pelo DPM

estão relacionados à exposição curta e longa, além

da concentração e a individualidade de cada

trabalhador:

As emissões podem causar irritações nos

olhos, nariz, garganta, pulmões.

Há consideráveis evidências de que estas

emissões de diesel sejam cancerígenas.


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.


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/m3 de carbono elementar.

Na Suíça esse limite corresponde a 0.20 mg/m3, de carbono total contido no DPM.


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/m3 de carbono total.

No Canadá, conforme o Canadian ad hoc Diesel Committee , o limite foi estipulado em 1.50 mg/m3, 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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2.Normas para cálculo de necessidades de ar em minas subterrâneas

O principal parâmetro do sistema de O principal parâmetro do sistema de

ventilação de mina é a vazão de ar fresco, a ser ventilação de mina é a vazão de ar fresco, a ser

insuflada nos locais de trabalho.insuflada nos locais de trabalho.

Do ponto de vista do suprimento das Do ponto de vista do suprimento das

necessidades de oxigênio para consumo humano e necessidades de oxigênio para consumo humano e

de motores de combustão interna (diesel), existem de motores de combustão interna (diesel), existem

normas específicas a serem observadas que são normas específicas a serem observadas que são

adotadas em cada país. adotadas em cada país.

O raciocínio comum para o cálculo de vazões O raciocínio comum para o cálculo de vazões

de ar fresco (necessidades de ar) envolve as de ar fresco (necessidades de ar) envolve as

seguintes variáveis:seguintes variáveis:

- o número de trabalhadores presentes em subsolo;- o número de trabalhadores presentes em subsolo;

- a potência de equipamentos diesel na mina;- a potência de equipamentos diesel na mina;

- a taxa de produção (minério+estéril) da mina;- a taxa de produção (minério+estéril) da mina;

- outros elementos específicos (concentração de - outros elementos específicos (concentração de

gases contaminantes, mina de carvão ou ñ-carvão, gases contaminantes, mina de carvão ou ñ-carvão,

massa de explosivos, presença de equipamentos massa de explosivos, presença de equipamentos

elétricos, etc.) elétricos, etc.)

Um exemplo bastante simples será usado a seguir Um exemplo bastante simples será usado a seguir

para mostrar o cálculo das necessidades de ar para mostrar o cálculo das necessidades de ar

usando-se a norma NR-22 (Brasil), considerando mina usando-se a norma NR-22 (Brasil), considerando mina

subterrânea ñ-carvão. subterrânea ñ-carvão.

Mina ñ-Mina ñ-

carvão:carvão:

Elementos para Elementos para

cálculo de cálculo de

necessidades de ar.necessidades de ar.

Conforme a NR-22, Conforme a NR-22,

deve-se escolher o deve-se escolher o

maior valor dentre os maior valor dentre os

itens (a), (b) e (c) do itens (a), (b) e (c) do

quadro II.quadro II.

Exemplo de aplicação da NR-22 para minas ñ-Exemplo de aplicação da NR-22 para minas ñ-

carvão ...carvão ...

Suponha que em um stope de mina de ouro Suponha que em um stope de mina de ouro

trabalhem simultaneamente, na situação mais crítica, 1 trabalhem simultaneamente, na situação mais crítica, 1

caminhão diesel (300cv), 1 LHD diesel (150cv) e 4 caminhão diesel (300cv), 1 LHD diesel (150cv) e 4

operários. Considere ainda que este stope usa 120kg de operários. Considere ainda que este stope usa 120kg de

explosivos em seu desmonte, e produz mensalmente 5000 t explosivos em seu desmonte, e produz mensalmente 5000 t

de minério e estéril. Estimar a vazão requerida pela NR-22.de minério e estéril. Estimar a vazão requerida pela NR-22.

Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel

de lavra de mina ñ-carvão ...de lavra de mina ñ-carvão ...

Resp.:Resp.:

Item (a) do quadro II ... Vazão p/homens e máquinas Item (a) do quadro II ... Vazão p/homens e máquinas

será igual a 2m3/min x 4 + 3.5m3/min/cv(300cv + será igual a 2m3/min x 4 + 3.5m3/min/cv(300cv +

150cv)=1583 m3/min.150cv)=1583 m3/min.

Item (b) do quadro II ... A vazão de ar de acordo com Item (b) do quadro II ... A vazão de ar de acordo com

a massa de explosivos empregada no desmonte será a massa de explosivos empregada no desmonte será

calculada para um tempo de aeração de 30 minutos: Q = calculada para um tempo de aeração de 30 minutos: Q =

0.5 x 120kg/30 minutos = 2 m3/min.0.5 x 120kg/30 minutos = 2 m3/min.

Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel Exemplo de aplicação da NR-22 para um painel

de lavra de mina ñ-carvão ...de lavra de mina ñ-carvão ...

Item (c) do quadro II ... Vazão de ar de acordo com a Item (c) do quadro II ... Vazão de ar de acordo com a

produção do painel, supondo 180mprodução do painel, supondo 180m33/min/1000t mensais: /min/1000t mensais:

Qt = 180mQt = 180m33/min/1000t x 5 000 t/mês = 900 m/min/1000t x 5 000 t/mês = 900 m33/min ./min .

Neste caso, a necessidade de ar para o realce será Neste caso, a necessidade de ar para o realce será

de 1583 mde 1583 m33/min, conforme calculado no item (a)./min, conforme calculado no item (a).

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Limites para a velocidade do ar em subsolo:Limites para a velocidade do ar em subsolo:

Procuram garantir que a velocidade do ar seja Procuram garantir que a velocidade do ar seja

suficiente para remover contaminantes do local de trabalho, suficiente para remover contaminantes do local de trabalho,

mas sem aumentar demais o transporte de poeiras ou mas sem aumentar demais o transporte de poeiras ou

prejudicar o conforto térmico dos trabalhadores.prejudicar o conforto térmico dos trabalhadores.

Lembrar que : Q = v A Lembrar que : Q = v A

Q = vazão de ar na galeria (mQ = vazão de ar na galeria (m33/s); v = velocidade do ar (m/s); A = área de /s); v = velocidade do ar (m/s); A = área de

seção de galeria (mseção de galeria (m22).).

Exemplos de limites velocidade do ar determinados Exemplos de limites velocidade do ar determinados

pela NR-22 (Brasil):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. Cada seção de trabalho de uma mina possui seus próprios divisores, que obedecem a uma organização geral.

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.


Barragens permanentes confeccionadas em alvenaria (mina de carvão):

Barragem provisória confeccionada em madeira (mina de carvão) :


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.


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).


Portas de ventilação ...

Portão confeccionado em metal Portão confeccionado emmadeira


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.


REGULADORES

A quantidade de fluxo de ar pode ser controlada por elementos chamados reguladores.

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 / R1/2 ; sendo R em Ns2m-8, a em m2.

Porta deslizante

Reguladores

Típico modelo de fluxo de ar em um sistema de exaustão (divisão dupla)

____________


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 auxiliarVentilação 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 de qualidade e quantidade de ar. Toda a abertura de galerias, poços, planos inclinados, raises e winzes sempre necessitam de ventilação auxiliar. Em minas de carvão, todas as frentes necessitam de ventilação auxiliar tão logo ultrapassem o último travessão (de modo geral, a norma NR-22 estabelece a obrigatoriedade da ventilação em fundo-de-saco).


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) .


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 auxiliarPosição dos equipamentos no painel de mina de carvão

(Criciúma-SC-BRA) do slide anterior.

1 2

3

4 5

9

68

7AR LIMPO AR SUJ O

1 - LO ADER

2 - SHUTTLE-C AR

3 -PERFURATRIZ DE TETO

4 - C O RTADEIRA

5- PERFURATRIZ DE FRENTE

6 -ALIM ENTADO R

7 -C O RREIA TRANSPO RTAD O RA

8 -C ENTRO DE FO RÇ A

9 -VENTILADO R


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.


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.

Os materiais mais usados para tubulações rígidas são: ligas de aço, malhas de aço entrelaçado, fibra de vidro e resinas.

Ventilação auxiliarTubulações 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.


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 ...


O uso de cortinas e linhas de tapume é mais comum em minas de carvão, onde é comum a frente de lavra 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

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...

SCRUBBERS E VENTILAÇÃO POR INSUFLAÇÃO:

Na ventilação por insuflação, o ar fresco é dirigido pela cortina 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.


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


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:

Tanto a posição A quanto a posição B estão localizadas paralelas ao final da linha de cortina.

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.

Na ventilação auxiliar por exaustão utilizando scrubbers, a posição do operador também influencia no nível de exposição que este sofre. As opções são melhores, pois existem mais lugares para o trabalhador se posicionar.

____________


SpraysSão 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 não dissipadas no ar, e a água consegue removê-las.

Naturalmente, o uso excessivo de água pode gerar um nível alto de umidade, o que pode significar problemas como dificuldades no manejo de materiais e problemas na operação.


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 seleção de um sistema por insuflação ou exaustão deve ser considerada com cuidado.

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, o sistema é de exaustão.


Ventilação auxiliar insufladora

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;


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;


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.


insufladora

Ventilação auxiliarCombinações

(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 .


Combinações na ventilação auxiliar:

Quando a disposição e vazão dos arranjos combinados não forem corretas, problemas de recirculação de poeira e gases vão ocorrer.


Combinações na ventilação auxiliar:

Ao lado, duas situações onde a superposição não está adequadamente configurada.

____________

Estimativas de perdas de carga em dutos de ventilação auxiliar:

É possível calcular as perdas de carga em dutos de ventilação auxiliar a partir das equações de perdas por atrito e turbulência vistas anteriormente.

Entretanto, os fabricantes de dutos flexíveis costumam fornecer bons valores para as perdas verificadas em seus materiais.

Uma forma de apresentação das perdas encontra-se no ábaco do próximo slide.

Ábaco para cálculo da perda de pressão por metro de duto flexível (fabricante Vinivento-Sansuy):

Exemplo:

Duto de diâmetro 1000mm;Vazão de ar através do duto: 30 m3/s (108000 m3/hora);Perda de carga no duto: 2.7 mmCA/metro.

Obs.:A perda de carga indicada no ábaco refere-se a segmentos retos. Dobras no duto aumentam a perda de carga consideravelmente.

Exercícios:

a) Suponha que um ventilador axial é capaz de fornecer 30m3/s a uma pressão estática de 120mmCA (livre de “stall”). Qual o máximo comprimento de dutos de ventilação auxiliar de diâmetro 1000mm ao qual este ventilador poderá ser conectado, de forma que ainda mantenha uma vazão mínima de 30m3/s ?

R.: 44 metros.b) Para as mesmas condições (30m3/s e 120mmCA), qual o máximo comprimento de dutos de ventilação auxiliar de 1200mm de diâmetro que podem ser conectados, mantendo a vazão mínima de 30m3/s?

R.: 133 metros.c) Suponha que na situação (a) seja feita uma tentativa de uso de dois dutos flexíveis de 600mm de diâmetro instalados em paralelo, substituindo o duto de 1000mm. Qual o máximo comprimento possível para os dutos de 600mm, para fornecer a mesma vazão (30m3/s) ?

R.: 15 metros.

____________

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.


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.


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 ...


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.


Estudos relacionando as fugas (leakage) em conjuntos de barragens (stoppings) adjacentes em minas de carvão mostraram os seguintes resultados:

Vazão da fuga

Número de barragens adjacentes

L = comprimento de galeria monitorado

H = diferença de pressão através das barragens

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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 ventilaçãoVantagens em posicionar o ventilador principal na

superfície ...

Facilidade de instalação – em superfície existe mais espaço para instalar o equipamento;

Facilidade de acesso – o ventilador apresenta acesso mais imediato em caso de manutenção ou desastres (fogo e inundações);

Segurança – o ventilador fica menos vulnerável a desastres e problemas de instabilidade do maciço rochoso.


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)

Para 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)

____________


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.


Minas metalíferas jazimentos verticalizados são comuns.

Métodos de lavra...

C&P, Stope&pillar, SLS, Shrinkage, Sublevel caving, Block caving, Cut and Fill, etc.


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.


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-se perfurar poços adicionais na periferia das áreas mineráveis, servindo como entradas ou saídas de ar, reduzindo-se as fugas e a resistência do circuito de ventilação.

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)

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”.

Minas de carvão

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.

Carvão

Detalhe da ventilação na frente de produção em mina de carvão em S.Catarina:

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-carvão

Exemplo de uso de boosters em mina de carvão (figura abaixo):- circuito consistindo de uma entrada principal via plano inclinado + eixos de mina + painéis de lavra + exaustão geral por poço;-circuito de ar limpo (azul) e ar contaminado (vermelho);

Layouts-carvãoVazão de ar desejada/obtida (m3/s):

Ou seja, painéis 1 e 3 estão com vazões insuficientes; painel 4 está com vazão excessiva.

Para resolver o problema …usar boosters nos painéis 1 e 3, redistribuindo as vazões !!!

Vazãodesejada

Vazãoobtida

Painel 1 25 19.1

Painel 3 25 20.8

Painel 4 15 31.6

Layouts-carvão

-Bleeders:

técnica de ventilação usada para diluir o metano durante a lavra em retrocesso no método Longwall ou recuperação de pilares (no Câmaras e pilares). Consiste em ventilar a área já minerada (gob) do painel ainda em atividade para impedir a concentração de metano. Isto é feito usando-se reguladores no painel e a permeabilidade existente na zona minerada. Bleeders podem ser auxiliados por desgaseificação por boreholes.

LayoutsMinas de carvão: bleeders

no Longwall em recuo.

Layouts-carvão

Variações de sistemas para minas de carvão empregando Longwall ...

Layouts-carvão

Duas variações comuns para Longwall em recuo, em jazidas com significativa presença de metano, são as apresentadas nos diagramas (c) e (e). Os acessos laterais do painel podem ser compostos por duas ou mais galerias.

As vazões de ar comuns passando pela face de Longwall são da ordem de 25 – 35m3/s, em frentes de alta produção (as vazões dependem da taxa de liberação de metano).


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.


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.


Exemplo de mina metalífera: ventiladores principais (shaft 3 e 4) na superfície e atuando por exaustão.


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.


Minas metalíferas: configuração simplificada.


Minas metalíferas:

configuração onde o ar limpo entra pela rampa principal e é distribuído pelos níveis, saindo pelo poço de exaustão.


Minas metalíferas: detalhes dos stopes no método de lavra Shrinkage


Minas metalíferas: detalhes dos stopes no método de lavra Sublevel Stoping


Sublevel stoping: Orosur – San Gregorio – Uruguai (2013)

Layouts de ventilaçãoMinas metalíferas: detalhes dos stopes no método de lavra Cut-and-Fill

Rampa de entrada principal de ar fresco

Poço de ventilação

(upcast shaft)


Esquema genérico de ventilação no método de lavra 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.

Layouts de ventilaçãoEsquemas de ventilação no Cut-and-Fill – Mina Cuibá (AngloGold Ashanti, Minas Gerais):


Esquemas de ventilação no Cut-and-Fill – Mina Cuibá (AngloGold Ashanti, Minas Gerais):


Esquemas de ventilação no Cut-and-Fill – Mina Cuibá (AngloGold Ashanti, Minas Gerais):

Layouts de ventilaçãoMinas metalíferas: detalhes do método de lavra Sublevel Caving


Minas metalíferas: detalhe dos stopes no método de lavra VCR

Layouts de ventilaçãoMinas metalíferas:

5.Leis da VentilaçãoDurante 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 Hf);

- por turbulência (mudanças de direção em curvas, alargamentos e estreitamentos das galeiras; perdas Hx).

A perda total é dada por:Ht = Hf + Hx

A perda de carga é um parâmetro usado na seleção de ventiladores !

Perdas Hf por atrito (equação de Atkinson):

Hf = _k P L_ Q2

A3

No Sistema Internacional de unidades (S.I.), tem-se:

Hf em Pa (N/m2);k , fator de atrito, dado em Ns2m-4;P, perímetro da galeria, dado em m;L, comprimento da galeria, dado em m;A, área de seção da galeria, dada em m2;Q, vazão de ar, dada em m3/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 Ns2m-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 Tipo de galeriagaleria

RetilíneaRetilínea SinuosaSinuosa

LimpaLimpa

PoucoPouco

obstruídaobstruída

Moderadam.Moderadam.

obstruídaobstruída LimpaLimpa

PoucoPouco


Moderadam.Moderadam.


Acabamento Acabamento suave *suave *

0.00460.0046 0.00520.0052 0.00610.0061 0.00550.0055 0.00690.0069 0.00760.0076

Desmonte Desmonte convencionalconvencional

0.0080.008 0.00910.0091 0.01100.0110 0.01100.0110 0.01210.0121 0.01400.0140

Com Com escoramento escoramento de madeirade madeira

0.0120.012 0.01340.0134 0.0150.015 0.01600.0160 0.01640.0164 0.01700.0170

Todos os valores de k estão em NsTodos os valores de k estão em Ns22mm-4-4..* Acabamento suave refere-se às galerias executadas com minerador contínuo, roadheader, raise * Acabamento suave refere-se às galerias executadas com minerador contínuo, roadheader, raise

drill ou TBM.drill ou TBM.

Valores de k para galerias de minas ñ-carvão encontram-

se na tabela abaixo.

Tipo de Tipo de galeriagaleria RetilíneaRetilínea

SinuosaSinuosa

Pouco Pouco

sinuosasinuosa

ModeradamenteModeradamente

sinuosasinuosa

MuitoMuito

sinuosasinuosa

AcabamentoAcabamento

SuaveSuave

0.00370.0037 0.00560.0056 0.00650.0065 0.00830.0083

RochasRochas

SedimentaresSedimentares

0.01110.0111 0.01300.0130 0.01390.0139 0.01580.0158

EscoramentoEscoramento

em madeiraem madeira

0.01850.0185 0.02040.0204 0.02130.0213 0.02320.0232

RochasRochas

ígneasígneas

0.02780.0278 0.02970.0297 0.03060.0306 0.03250.0325

Valores de k para dutos usados na ventilação auxiliar de

galerias desenvolvidas em fundo-de-saco:

Os valores de k descritos nas tabelas anteriores são relativos a uma condição-padrão de massa específica do ar, correspondente a 1.201 kg/m3 (ou 0.075 lb/ft3), registrada quando o ar encontra-se ao nível do mar e a uma temperatura de 21.1oC.

Caso a massa específica do ar (ρ) na condição de interesse seja diferente da condição-padrão, deve-se corrigir o valor de k, da seguinte forma:

kcorrigido = ktabelado (ρ/1.201) .

As variáveis _k P L_ podem ser condensadas em A3

um único parâmetro Rf, denominado “resistência de galeria”.

Rf é dado (no SI) em Ns2m-8.

Assim, Hf pode ser escrito como:

Hf = Rf Q2 = _k P L_ Q2

A3

Exemplo:

Calcule as perdas de pressão por atrito originadas pela passagem de 200 m3/s de ar através de uma galeria de seção 4 x 5m e 100m de comprimento. Supor k = 0.01 Ns2m-4.

P = 5x2 + 4x2 = 18mL = 100mA = 4x5 = 20 m2

Rf = 0.01 x 18 x 100 = 0.00225 Ns2m-8

203

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 = 7.4mA = 1.7x2 = 3.4 m2

Rf = 0.01 x 7.4 x 100 = 0.188 Ns2m-8

3.43

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, Rx) considerando que as perdas de pressão são expressas da seguinte forma:

Hx = Xρv2 / 2 ,

onde ρ = massa específica do ar (kg/m3), v = velocidade média de escoamento do ar (m/s), X = fator de perdas por turbulência (adimensional).

Reescrevendo a Eq. de Atkinson apenas para as perdas

de pressão por “shock”, tem-se:

Hx = Rx Q2 = Rxv2 A2 = Xρv2 / 2.

Então, Rx = Xρ / (2 A2), de modo que Rx é a resistência

devida à turbulência do ar.

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 arredondadasX = 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

X2 = [A2/A1 -1]2; para a seção 2.

Se A2 >> A1, X1 = [1- A1/A2]2; para a seção 1.

Estreitamento abrupto de galeria

X = 0.5 [1- A2/A1]2

Rx = Xρ/(2A22)

Curva de 90o em galeria de seção retangular

Fluxo divergente de galeria para poço

X = 0.5 [1 + 2.5 v2/v1]

Rx = Xρ/(2A12)

Cálculo de Hx pelo método do comprimento equivalente:

Neste caso, as perdas por turbulência são expressas em termos de um comprimento equivalente de uma galeria retilínea e de geometria constante. Ou seja, determina-se um comprimento adicional Lx (proporcionando uma perda de carga Hx) que se somará ao comprimento L da galeria. Assim, as perdas de carga totais para uma determinada galeria que apresenta perda por atrito e por “shock”, assumem a forma:

Ht = Hf + Hx = _k P (L+Lx) Q2 .

A3

A tabela do próximo slide contém algumas sugestões para Lx, de acordo com as diversas fontes de perdas Hx.

Valores de Lx para algumas fontes de perdas Hx:

Origem da perda Lx(m)Lx(m) Origem da perdaOrigem da perda Lx(m)Lx(m)

Entrada de ar 6 Expansão gradual 1

Saída (descarga) 20 Expansão abrupta 6

Curva de 90o, com

cantos arredondados 1

Bifurcação com

galeria divergente (90o) 60

Curva de 90o, com

cantos bem definidos 20

Crossing com

acabamento pobre 290

Contração gradual 1 Crossing com

bom acabamento 65

Contração abrupta 3

curva característica

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40

vazão

per

da

de

pre

ssão

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 Q2.

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.

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 50m3/s ... Ht = 0.1 (50)2 = 250 Pa;

Ht para 100m3/s ... Ht = 0.1 (100)2 = 1000 Pa.

Ou seja, para uma vazão de 100m3/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.

Em decorrência disto, pode-se determinar a perda de carga de uma galeria para qualquer vazão, usando a equação Ht = Rt Q2 .

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=20m2; perím.=18m

A2=15m2; perím.=16m

k=0.01 Ns2m-4

ρ=1.2kg/m3

Solução:

Resistências por atrito ... R1= kS/A3 = 0.01 x 18 x 500 / 203 = 0.011 Ns2m-8

R2= 0.01 x 16 x 500 / 153 = 0.024 Ns2m-8

Resistências por shock ... Entrada: X=0.5; Rx1=0.5 x 1.2 / (2 x 202) = 7.5x10-4 Ns2m-8

Saída: X=1.0; Rx2=1.0 x 1.2 / (2 x 152) = 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 152) = 1.5x10-4 Ns2m-8

Req = R1 + R2 + Rx1 + Rx2 + Rx3 = 0.038 Ns2m-8

Relação entre pressões e perdas de carga

para um fluido em escoamento

Para a situação em que um fluido como o ar escoa em uma galeria, são definidas as seguintes pressões:

Pressão estática (PS) – é a pressão que atua igualmente em todas as direções e resulta do estado termodinâmico de agitação das moléculas do ar.

Pressão de velocidade (PV) – é a pressão resultante da energia cinética das moléculas do ar, que move-se com uma determinada velocidade v. PV = ρv2/2 , sendo ρ a massa específica do ar e v a velocidade de escoamento.

Pressão total (PT) – representa a soma de PS e PV,PT = PS + PV .

Supondo que o ar escoa com velocidade v em uma galeria, cuja forma e rugosidade provoquem perdas Hf e Hx (Ht = Hf + Hx), vale a seguinte relação:

PT1 = PT2 + Ht ,

onde PT1 e PT2 são as pressões totais observadas nos pontos 1 e 2.

As componentes da pressão total PT podem ser medidas de acordo com a ilustração a seguir, onde foram usados manômetros de coluna d’água do tipo tubo em U.

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 decarga 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 ...

Em paralelo ...

Obs.: em uma associação de duas galerias em paralelo, a vazão na galeria 1 é dada por ...

(QT = Q1 + Q2)

...111

21

RRReq

...21 RRReq

TQ

RR

RR

Q

1

2

1

2

1

1

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 m3/s de ar em uma galeria com resistência total R = 0.1 Ns2m-8.

Ht = R Q2 ; Ht = 0.1 (50)2 = 250 Pa

Exemplo:

Suponha que é possível colocar em paralelo duas galerias, cada uma com R = 0.1 Ns2m-8. Qual a perda de carga pela passagem de 50 m3/s ?

21

111

RRReq

821 025.04

1.0

4 mNs

RReq

PaxQRH eqt 5.6250025.0 22

Potência estática de ventilação: É o produto da perda de carga Ht pela vazão

que passa em determinado trecho de galeria. A potência estática de ventilação representa a energia mecânica, por unidade de tempo, associada ao escoamento do ar. (Unidade do SI: watt)

Pot = Ht Q

Exemplo:

Qual a potência estática de ventilação empregada quando há escoamento de 50 m3/s de ar por uma galeria em que ocorre uma perda de carga de 62.5 Pa?

Pot = Ht Q = 62.5 x 50 = 3125 W.

Observação: A potência estática de ventilação (Pot) não é igual

à potência elétrica real que será necessária para mover uma determinada vazão. Para obter-se a potência elétrica real, é preciso considerar ainda a pressão de velocidade PV e os rendimentos característicos dos ventiladores e motores empregados no sistema.

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 (p2/p1) 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 R1 = 3.47 Ns2m-8 e R2 = 12 Ns2m-8.

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 – Calcule o orifício equivalente de uma mina no qual circulam 120 m3/s, a uma pressão de ventilação de 2400 Pa.

Resp.: a=3.02 m2.

11 – 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 NsResistências (em Ns22mm-8-8):):

R1=0.0559;R1=0.0559; R6=0.1453;R6=0.1453;R2=0.1342;R2=0.1342; R7=0.1062;R7=0.1062;R3=0.1118;R3=0.1118; R8=0.1677;R8=0.1677;R4=0.0838;R4=0.0838; R9=0.1509;R9=0.1509;R5=0.1399;R5=0.1399; R10=0.0447.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 Q2 = 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.

VentiladoresSão 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.

Dispositivos de ajuste do ângulo de ataque das

pás (passo) do rotor de um ventilador

axial

Ventiladores axiais de vários tamanhos e Ventiladores axiais de vários tamanhos e

configuraçõesconfigurações

Ventilador axial instalado em mina subterrâneaVentilador 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 paraCurvas para

vários ângulosvários ângulos

de ataque 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 m3/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 m3/s ?

Resp.: 50 kW.

- Qual o custo de energia elétrica por dia de funcionamento deste ventilador, supondo que ele movimenta 20 m3/s durante todo o período (24 horas), considerando que o valor da energia é R$ 0.20/kW-h ? (supor que a potência consumida 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 vazão, que deve ser

verificada com o fabricante.

Redutores de ruído ...

VentiladorVentilador

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

Obs.: no cálculo da PV, usa-se a velocidade do ar na saída do rotor do equipamento. Em unidades inglesas, PV = (CFM/4005 x Área)2.

Ventiladores

Ventiladores Centrífugos:São equipamentos nos quais o ar

penetra na direção do rotor e é 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 permitem ajuste do passo.

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. É comum ocorrerem mudanças no circuito de ventilação e estas mudanças induzirem alterações no 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 resistência equivalente (REQ) do circuito de ventilação da figura ao lado, considerando que as perdas de carga e as vazões de cada trecho estão discriminadas diretamente no diagrama. Encontrar o ponto de operação para o ventilador cuja curva característica encontra-se na Tabela A, quando conectado ao circuito.

PressãoPressão

estática (Pa)estática (Pa)

Vazão Vazão

(m3/s)(m3/s)

500500 3030

10001000 2020

15001500 22

Tabela A:Tabela A:curva característica do curva característica do ventiladorventilador

Solução:

REQ = RAB + RCD + RDE

RAB = 61/(18.8)2 = 0.17 Ns2m-8

RCD = 124/(18.8)2 = 0.35 Ns2m-8

RDE = 88/(18.8)2 = 0.25 Ns2m-8

REQ = 0.17 + 0.35 + 0.25 = 0.77 Ns2m-8

Ponto de operação (conf. solução gráfica ao lado):

H = 610 Pa (pressão do ventilador)Q = 27 m3/s

Associações de ventiladores:

Associações de ventiladores tornam possível atender-se a uma variada gama de combinações de perdas de carga e vazões, a partir de um conjunto limitado de ventiladores.

A forma comum de associar ventiladores é colocando-os em série ou paralelo.

Ventiladores são, em geral, conectados em série quando deseja-se obter uma determinada vazão, mesmo com resistências de mina crescentes (p.ex. quando o circuito de mina está se alongando).

Ventiladores em paralelo são usados quando se quer um aumento significativo de vazões, com resistências de mina aproximadamente constantes.

Existem métodos gráficos para conhecer-se a curva característica resultante e o ponto de operação de uma associação de ventiladores, os quais serão vistos a seguir.

Associação de ventiladores em série:

A figura abaixo mostra dois ventiladores, a e b, posicionados em

série em uma galeria única. A curva característica desta

combinação é obtida adicionando as pressões individuais dos

ventiladores, para cada valor específico de vazão. O ponto de

operação efetivo é C, sendo que em cada ventilador passa a

mesma vazão, Q.

Nas associações de ventiladores em série:

- podem ser usados ventiladores diferentes, porém o

mais comum é usar-se ventiladores iguais;

- se um ventilador é muito mais potente que outro, ou a

resistência do sistema é muito baixa, o ventilador mais

fraco não produzirá efeito, podendo até mesmo servir

como uma resistência adicional ao sistema.

Exemplo de ventiladores instalados em série: ventilação

auxiliar em fundo-de-saco

Exercício:

Supondo que dois ventiladores estão associados em série (a curva característica de

cada um deles é dada na tabela abaixo) e conectados a uma mina cuja resistência

equivalente é 1.1 Ns2m-8, calcule o ponto de operação do conjunto.

pressão(Pa) vazão(m3/s)

1800 10

1500 18

1000 25

500 30

200 32

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30 40 50 60

vazão (m3/s)

pre

ssão

(P

a)

Curva da mina

Curva da associação em série Ponto de operação: 30m3/s; 1000Pa

Associação de ventiladores em paralelo:

Se os ventiladores a e b (fig. abaixo) estão associados em paralelo, então

através de cada ventilador passa uma dada vazão (Qa e Qb), a uma mesma

pressão p. A curva característica desta combinação é obtida adicionando

vazões individuais dos ventiladores, para cada valor específico de pressão.

O ponto de operação efetivo do sistema está representado em C.

As associações de ventiladores em paralelo:

- são mais indicadas quando a resistência do circuito é

baixa; neste caso, os ganhos em vazão são maiores;

- podem ser feitas com ventiladores diferentes, mas isto

pode provocar “stalling” no ventilador mais fraco.

Exemplo de associação de ventiladores em paralelo: três

ventiladores fazendo exaustão em poço de ventilação

Exercício:

Supondo que os dois ventiladores do exemplo anterior estão associados em

paralelo e conectados à mina cuja resistência equivalente é 1.1 Ns2m-8,

calcule o ponto de operação do conjunto.

Curva da mina

Curva da associação em paralelo Ponto de operação: 37m3/s; 1450Pa

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30 40 50 60

vazão (m3/s)

pre

ssão

(P

a)

Algumas definições relacionadas com eficiência e potência de

ventiladores (extraído de McPherson, M. J., 1993, Subsurface

Ventilation and Environmental Engineering, Ed. Chapman & Hall,

London., cap.10):

Potência estática de ventilação (Airpower) ... Pot = Ht Q

Potência disponível no eixo do motor elétrico ... Shaft power ou brake

horsepower (BHP)

Relação entre shaft power e potência elétrica consumida da rede (input

power) pelo motor do ventilador ... Shaft power/input power ≈ 0.85

Eficiência total (Total efficiency) ... Fan total pressure/shaft power

Eficiência estática (Static efficiency) ... Fan static pressure/shaft power

Seleção de ventiladoresDiferentes fabricantes de ventiladores

possuem procedimentos similares para fazer a

escolha do equipamento adequado a uma

determinada situação. A seguir, será visto o

procedimento empregado na seleção rápida

de ventiladores axiais da marca Chicago

Blower. Para aplicá-lo, usa-se a Tabela II ao

lado, e a carta de opções de ventiladores

(próximo slide), classificados de acordo com

as faixas de pressão total e vazões que podem

ser geradas para cada modelo de ventilador

axial.

Carta de opções de ventiladores

Passos para a seleção:

1-Entre na carta com a Vazão (Q) e a Pressão estática (PS) requeridas. Determine o ventilador mais eficiente. (PS é igual às perdas Ht do circuito de mina, para a vazão Q).

2-A carta é baseada na Pressão total (PT), igual a PS + PV. A Pressão de velocidade (PV) deve ser determinada usando a equação PV=(Q/(A x 4005))2, sendo Q a vazão em CFM, A a área encontrada na Tabela II (em ft2).

3-Voltar à carta e conferir se sua seleção está correta, baseada na Pressão total. Se não estiver, recalcular PV para um novo ventilador determinado.

4-Calcular o BHP aproximado por: BHP = (Q x PT)/(6361 x eficiência). Observe que as unidades usadas são do sistema inglês. As condições padronizadas de funcionamento do ventilador referem-se a massa específica do ar = 1.2 kg/m3 e t=70oF.

Esta é uma pré-seleção de equipamento. Uma verificação definitiva deve ser feita com as curvas próprias do equipamento selecionado. Um ponto importante é que, no passo 1, a vazão e pressão estática requeridas devem ser estimadas por quem está adquirindo o ventilador.

Exemplo:

1-Considere a necessidade de um ventilador para 66760 m3/h, com PS = 101.6 mmCA. Convertendo para as unidades da carta: Q = 40 000 CFM; PS= 4” WG. Entrando na carta com estes valores, obtém-se o modelo 4450-B6-1760 rpm e 80% de eficiência.

2-Calcula-se para este modelo PV=(40000/(4005 x 10.80))2 = 0.86”WG, onde PT=4,86”WG.

3-Volte à carta com PT=4.86”WG; obtém-se o mesmo modelo. Está confirmada a seleção.

4-Calcule o BHP aproximado: BHP=(40 000 x 4.86)/(6362 x 0.8) = 38 HP.

5-O ventilador axial para atender às necessidades opera em 1760 rpm, absorvendo 38HP.

-----------------

________________________________________________

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 m3/min = 4.72x10-4 m3/s

-----------------

6.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).

Q = V · A (m3/s ou m3/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.

VAZÃO (Q)

Anemômetro de pás

Outros equipamentos para Outros equipamentos para

medidas de vazão:medidas de vazão:

Termoanemômetros;Termoanemômetros;

Tubo de fumaça;Tubo de fumaça;

Velômetros;Velômetros;

Tubo de Pitot.Tubo de Pitot.

Procedimentos de medida

Dependem principalmente do tipo de equipamento disponível.

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

Continuação...

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:

- 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.

Continuação...

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 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 circuito como um todo.

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 = ρv2/2, então v = (2 PV/ρ)1/2 . O uso limita-se às situações onde a velocidade do ar é suficientemente elevada.

Tubo de Tubo de Pitot 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.

___________

TEMPERATURA E UMIDADE

Parâmetros do clima em subsolo:

Temperatura de bulbo seco (ts);

Umidade do ar, que pode ser caracterizada pela

temperatura úmida (tu) 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 (te) foi idealizada pela

American Society of Heating and Ventilating Engineers

para caracterizar o conforto térmico dos trabalhadores.

O valor de te é determinado a partir dos valores tu , ts e

velocidade do ar, usando-se o ábaco presente no

próximo slide.

Temperatura Efetiva

Continuação...

A temperatura efetiva é um índice utilizado

em vários países para determinação do conforto

térmico.

Equipamentos usados – psicrômetro e

anemômetro.

Psicrômetro: equipamento que combina um

termômetro de bulbo seco e outro de bulbo úmido.

Carta Psicrométrica: relaciona ts e tu com a umidade relativa do ar (as cartas psicrométricas são vendidas junto com o equipamento e podem ser encontradas na literatura de ventilação de mina).

Índice IBUTG

No Brasil, este índice é utilizado na indústria para a No Brasil, este índice é utilizado na indústria para a

especificação de níveis de exposição a ambientes quentes para o especificação de níveis de exposição a ambientes quentes para o

trabalhador. Foi regulamentado pela norma do Ministério do trabalhador. Foi regulamentado pela norma do Ministério do

Trabalho NR-15, Anexo 3 .Trabalho NR-15, Anexo 3 .

É um índice obtido a partir da medida da temperatura de É um índice obtido a partir da medida da temperatura de

bulbo úmido natural e temperatura de globo, e representa a média bulbo úmido natural e temperatura de globo, e representa a média

ponderada destas medidas (Clezar, 1999 pág. 253).ponderada destas medidas (Clezar, 1999 pág. 253).

Termômetro de bulbo úmido natural Termômetro de bulbo úmido natural é um termômetro de bulbo úmido é um termômetro de bulbo úmido

que difere dos utilizados nos psicrômetros pelo fato de não se impor uma 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 velocidade forçada ao ar e o bulbo não ser protegido contra radiação

térmica. 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:Ambientes internos ou externos sem carga solar:

IBUTG = 0,7 tun + 0,3 tg IBUTG = 0,7 tun + 0,3 tg

tun = temperatura de bulbo úmido naturaltun = temperatura de bulbo úmido natural

tg = temperatura de globotg = temperatura de globo

Continuação...

Continuação...

Equipamentos utilizados:

Termômetro de globo

Termômetro de bulbo úmido

____________

Equipamentos de medida da concentração de gases presentes no ar – princípios de detecção:

Oxidação catalítica – usada para gases combustíveis como metano e

CO. Nesta técnica, mede-se o calor gerado durante a oxidação do gás ou a troca de resistências de um componente de um circuito elétrico quando o gás é queimado.

Sensores eletroquímicos – aplicados na determinação da concentração de oxigênio, CO, H2S (sulfeto de hidrogênio) e NOx. O gás medido reage com um eletrodo especial em um eletrólito. Esta reação gera corrente elétrica que é proporcional à concentração do gás.

Detectores óticos – usados para metano, p.exemplo. Dois princípios usados: 1)gases diferentes absorvem luz em comprimentos de onda distintos; passando luz através de uma mistura com gás e medindo sua absorção, determina-se a concentração do gás. 2)Gases têm diferentes índices de refração. Um feixe de luz é dividido, parte passa em uma câmara contendo ar e outra parte em uma câmara contendo gás. A diferença na velocidade dos feixes de luz é proporcional à concentração do gás de interesse.

Equipamentos de medida...(cont.):

Métodos de detecção usando semi-condutores – usam elementos

(semi-condutores) que trocam de condutividade na presença de certos gases. Mede-se a mudança na condutividade, que é proporcional à concentração do gás.

Tubos colorimétricos – usam uma propriedade química de reação de um gás com compostos químicos específicos, cuja reação provoca mudança de cor em tais compostos. A troca de cor é proporcional à concentração do gás, que é medida diretamente em um tubo contendo o composto químico determinado.

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

Slide Final

Obrigado a todos !!!

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Ventilação de mina subterrânea (UFRGS/DEMIN - material de divulgação interna)