Ventilación de minas subterráneas

¿Qué es la ventilación de minas subterráneas?

La ventilación subterránea es la circulación organizada del aire por las labores mineras para mantener condiciones aceptables de calidad del aire, temperatura y trabajo. El aire fresco de entrada se dirige a las zonas ocupadas y a las labores activas. Luego, el aire que contiene contaminantes o exceso de calor y humedad se conduce por las vías de retorno y se descarga fuera de la mina.

Normalmente, el sistema comprende:

• aberturas hacia la superficie, piques o pozos verticales, bocaminas, rampas, chimeneas y galerías de ventilación;

• circuitos de entrada de aire fresco y de retorno;

• bifurcaciones que distribuyen el caudal a sectores de producción y frentes de desarrollo;

• puertas, tabiques, reguladores, sellos, cruces de aire y otros elementos de control;

• ductos de ventilación, incluidas las mangas flexibles, para labores ciegas y áreas de trabajo localizadas;

• ventiladores principales, ventiladores de refuerzo donde estén permitidos y equipos de ventilación auxiliar; y

• instrumentación para medir caudal, presión, gases, temperatura, humedad y condición de los equipos.

Todos estos elementos deben evaluarse como una sola red. El caudal medido en superficie no demuestra por sí solo cuánto aire llega a un frente alejado: la resistencia de los ramales, las fugas, los controles y el estado de las mangas determinan la distribución efectiva. Las disposiciones mineras de Chile y Perú relacionan el suministro de aire, la separación de circuitos, la ventilación auxiliar y las mediciones; deben aplicarse según la jurisdicción y las características de cada operación.^[1][2]

Figura 1. Circuito esquemático de ventilación por extracción: ingreso de aire fresco, distribución entre niveles de trabajo, retorno del aire y descarga mediante el ventilador principal en superficie. La disposición real depende de cada mina.

Cómo funciona un circuito de ventilación subterránea

El aire circula por la mina debido a la diferencia de presión entre la entrada y el retorno de la red. Esa diferencia debe vencer la resistencia de piques, rampas, galerías, chimeneas, ductos, codos, uniones, elementos de control y conexiones de superficie.^[10][12]

Un circuito simplificado puede describirse en cinco etapas:

1. Ingreso del aire a la mina. El aire fresco se aspira o impulsa a través de un pique, una bocamina, una rampa u otra abertura destinada a la admisión.

2. Distribución del caudal principal. El caudal total se reparte entre niveles de operación, sectores de explotación, talleres, vías de tránsito, estaciones de bombeo y otras instalaciones, según su demanda de ventilación.

3. Llegada a los lugares de trabajo. Las labores con entrada y salida conectadas reciben aire del circuito principal. Las labores ciegas y los frentes de avance normalmente necesitan ventiladores auxiliares y ductos porque no cuentan con un recorrido completo de paso del aire.

4. Incorporación del aire contaminado al retorno. El aire debe avanzar desde las zonas más limpias hacia las fuentes de contaminación y luego hacia las vías de retorno, evitando que vuelva a pasar por otro lugar ocupado cuando el diseño permita separarlo.

5. Descarga fuera de la mina. El circuito de retorno conduce el aire hasta un pique de extracción, una chimenea, una bocamina o una estación de ventilación en superficie.

La red real rara vez consiste en un solo recorrido recto. Combina ramales en serie y en paralelo. Pueden abrirse puertas, ajustarse reguladores, conectarse nuevas labores, sellarse sectores antiguos o modificarse los rutas de fuga de aire. Por ello, la ventilación es un proceso operativo continuo y no una instalación que se resuelve una sola vez.

Coordinación de la ventilación principal, auxiliar y de los ventiladores de refuerzo

La red combina la circulación de aire a escala de toda la mina, su distribución entre sectores y la ventilación localizada de las labores ciegas. Cuando la normativa y el diseño lo permiten, los ventiladores de refuerzo añaden presión en circuitos determinados. El monitoreo y los controles permiten verificar si estos componentes funcionan de acuerdo con el plan de ventilación.

Ventilación principal

La ventilación principal mueve el aire entre las entradas y los retornos principales. Su capacidad depende de la profundidad, el método de explotación, las dimensiones de las labores, la flota de equipos, las cargas de contaminantes y calor, y el desarrollo futuro. Las conexiones de superficie, los piques, las galerías principales, el control de fugas y los retornos influyen en el punto de operación. Por eso, la selección del ventilador principal de mina debe partir del análisis de la red y comprobarse nuevamente con el equipo y la instalación elegidos.^[1][2]

Distribución entre sectores y ramales

La distribución por sectores reparte el caudal principal entre labores de producción y servicios. Un regulador modifica ese reparto al introducir resistencia en un ramal; no genera aire adicional. Un estrangulamiento excesivo consume presión disponible y puede reducir el caudal de otras zonas. Cuando sea viable, ampliar o rehabilitar una galería, reparar fugas, acortar el retorno o incorporar una vía paralela puede ofrecer una solución más conveniente a largo plazo.

Ventilación auxiliar

Una labor ciega no tiene una conexión de salida que permita establecer por sí sola un circuito de entrada y retorno; el frente de avance es la superficie donde progresa la excavación. Estas labores suelen requerir ventilación auxiliar mediante ductos. El sistema debe disponer de suficiente aire fresco proveniente de la red principal, suministrar el caudal requerido al frente en impulsión o extraer el aire desde el frente en aspiración, y descargarlo sin recirculación. Más adelante se explican los sistemas impelentes, aspirantes y combinados; la comparación de equipos se presenta en la guía de ventiladores para minería subterránea.

Ventiladores de refuerzo y su interacción con la red

Un ventilador de refuerzo, también denominado booster, aporta presión a un circuito subterráneo específico y modifica las presiones de los ramales conectados. Su instalación debe estar permitida por las disposiciones aplicables e incluida en el diseño de ventilación. Debe evaluarse junto con los ventiladores principales, el riesgo de recirculación, las vías de derivación previstas alrededor del ventilador, la respuesta ante detenciones, los controles y el monitoreo. No corresponde dimensionarlo como un equipo aislado del resto de la red.^[10][11]

Cómo determinar los caudales y las presiones requeridos

Una evaluación útil distingue dos preguntas:

1. ¿Qué caudal necesita cada lugar de trabajo en cada escenario de operación?

2. ¿Qué presión se requiere para mover ese caudal por las rutas seleccionadas?

El caudal necesario depende de las fuentes de riesgo y de las actividades que deben controlarse. Según la mina, intervienen la dotación de personal, los equipos diésel, las emisiones de gases, los gases de voladura, el polvo, el calor, la humedad, las áreas de carga de baterías, los talleres y las emisiones de proceso. La normativa y el plan de ventilación también pueden establecer caudales o velocidades mínimos. Debe determinarse la condición que gobierna el requerimiento de cada sector y las combinaciones realistas de actividades simultáneas, no calcular todo únicamente a partir del caudal total del ventilador.^[1][2]

Los siguientes cálculos básicos permiten ordenar los datos de caudal y presión. No sustituyen un modelo de red calibrado, los criterios de riesgo de la operación ni el plan de ventilación aprobado cuando corresponda.

Caudal y velocidad del aire

Para una sección definida de la labor, la relación básica es:

Q = A × v

• Q = caudal volumétrico de aire, normalmente en m³/s;

• A = área efectiva de la sección transversal de la labor, en m²; y

• v = velocidad media del aire en esa sección, en m/s.

Esta relación es fundamental en los aforos de ventilación. Una lectura de velocidad sin una medición confiable del área no entrega un caudal preciso. Además, una lectura en un solo punto puede no representar la velocidad media de una sección irregular. El procedimiento debe definir el método de medición, la estación de aforo, las dimensiones de la sección, la condición del instrumento y las correcciones necesarias.^[6][10]

Balance de aire en bifurcaciones y uniones

En ramales evaluados a una densidad local aproximadamente igual, la continuidad del flujo exige que la suma de los caudales que entran a un nodo sea aproximadamente igual a la de los que salen, considerando las fugas identificadas y la incertidumbre de medición:

ΣQ_entrada ≈ ΣQ_salida

Si la densidad del aire difiere de manera importante entre estaciones, debe compararse el flujo másico o convertir los caudales volumétricos a una condición de referencia común antes de cerrar el balance.

Los balances resultan útiles en accesos a niveles, bifurcaciones hacia sectores, uniones de retornos y zonas de ventilación auxiliar. Una diferencia significativa sin explicación puede indicar fugas, una conexión no registrada, una estación de aforo inadecuada o mediciones tomadas con distintas configuraciones de puertas, reguladores o ventiladores.^[10][12]

Resistencia de la red y pérdida de presión

Para un ramal simplificado, la pérdida de presión suele expresarse mediante la relación cuadrática:

ΔP = R × Q²

• ΔP = pérdida de presión a través del ramal, normalmente en Pa;

• R = resistencia equivalente del ramal, por ejemplo en Pa/(m³/s)² o N·s²/m⁸; y

• Q = caudal que circula por el ramal, normalmente en m³/s.

La relación cuadrática se emplea como aproximación del flujo turbulento para una geometría y una densidad del aire definidas. Si cambian la sección, la rugosidad, las obstrucciones, los controles o la densidad de referencia, debe revisarse el valor de resistencia.

En ventilación minera, el valor equivalente de esta expresión se conoce como resistencia de la labor o resistencia de Atkinson. Debe interpretarse con su sistema de unidades y su convención de densidad. En esta guía, R incluye el efecto de la densidad en la condición indicada; no debe confundirse con un coeficiente de fricción ni combinarse directamente con una formulación que incorpore la densidad por separado.^[10][12]

La resistencia reúne el efecto de la longitud, el perímetro, el área de la sección, la rugosidad, las obstrucciones, los codos, las uniones, los controles y las demás pérdidas. Una sección reducida o deteriorada puede elevar considerablemente la presión necesaria. Por ello, el estado real de galerías y ductos importa tanto como sus dimensiones en el plano.^[10][12]

Si la resistencia permanece constante, duplicar el caudal implica aproximadamente cuadruplicar la pérdida de presión. La potencia teórica transferida al aire, calculada como Q × ΔP, aumenta entonces unas ocho veces, antes de considerar la eficiencia del ventilador, motor y accionamiento. No es una garantía de que el consumo eléctrico real siga exactamente esa proporción. Eliminar una restricción o añadir una vía paralela adecuada puede resultar más eficaz que aumentar continuamente la presión del ventilador.

Definición de presión, condición del caudal y densidad del aire

Los datos del proyecto deben indicar si se trata de presión estática o total y cuáles son los puntos de medición o referencia. Para una lectura diferencial, deben identificarse ambos puntos y las magnitudes de presión comparadas. No corresponde comparar directamente la presión medida a través de un ventilador con la pérdida de un ramal si las definiciones, los puntos de medición o las condiciones de densidad no son compatibles.

Debe indicarse si el caudal volumétrico corresponde a las condiciones reales del aire en el interior de la mina o si se ha convertido a condiciones de referencia especificadas. A una velocidad de giro dada, el incremento de presión generado por el ventilador y la potencia transferida al aire dependen de la densidad. La altitud, la temperatura, la humedad y la presión barométrica deben considerarse al comparar mediciones con curvas de ventiladores o resultados de ensayos de aceptación.^[10][11]

No mezcle estas magnitudes en los datos del proyecto

• caudal del ventilador y caudal realmente entregado en la salida de un ducto impelente o captado en la entrada de un ducto aspirante;

• valores de presión estática, presión total o diferencias de presión sin identificar las magnitudes y los puntos de referencia;

• caudal volumétrico real y caudal normalizado o expresado en condiciones estándar; o

• resultados del modelo y mediciones tomadas con una configuración distinta de la red.

Vías de ventilación en serie y en paralelo

En vías conectadas en serie, sin fugas intermedias y a densidades comparables, el mismo caudal pasa sucesivamente por cada tramo. Las resistencias se suman:

R_total = R_1 + R_2 + R_3 + ...

En vías paralelas, el caudal se reparte entre dos o más recorridos. Para ramales conectados entre los mismos nodos, sin fuentes de presión independientes dentro de ellos y con pérdidas representadas por la relación cuadrática:

1 / sqrt(R_total) = 1 / sqrt(R_1) + 1 / sqrt(R_2) + 1 / sqrt(R_3) + ...

En esta expresión, sqrt(R) representa la raíz cuadrada de la resistencia.

Dos vías paralelas idénticas tienen una resistencia equivalente igual a una cuarta parte de la resistencia de una sola vía, si ambas permanecen disponibles y están correctamente conectadas. Una distribución paralela bien planificada puede reducir la presión requerida y aportar flexibilidad. Si una vía se restringe, su estado se deteriora o conduce contaminantes hacia otra zona activa, la ventaja calculada puede disminuir o dejar de ser aceptable desde el punto de vista de la seguridad.^[12]

Fugas y pérdidas localizadas

No todo el aire que mueve el sistema principal llega al lugar previsto. Puede desviarse por puertas dañadas, tabiques o sellos con fugas, juntas defectuosas de las mangas o aberturas no previstas. Los reguladores, cambios de sección, codos, uniones, rejillas, silenciadores y transiciones generan, además, pérdidas localizadas de presión. Desviar aire por una fuga y perder presión por una restricción no son el mismo fenómeno.

Por lo tanto, una revisión del sistema distingue entre:

• aire que ingresa a la mina;

• aire que llega a cada sector;

• aire que alcanza cada lugar de trabajo activo;

• aire entregado por la salida del ducto impelente o captado en la entrada del ducto aspirante; y

• aire que sale por el circuito de retorno previsto.

Con una primera base confiable de caudal, presión, rango de operación y condiciones de instalación, pueden compararse el tipo de ventilador, modelo, curva, motor y control en la página de selección de ventiladores mineros. Luego se ajustan y verifican los supuestos de la red con el equipo elegido y las condiciones de montaje.

Diseño de las vías de entrada, distribución y retorno

Conducir el aire desde las zonas más limpias hacia las fuentes de contaminación

Cuando la configuración de la mina lo permite, el aire fresco debe pasar primero por las áreas ocupadas y menos contaminadas, antes de llegar a los lugares donde se generan gases, polvo, emisiones diésel, gases de voladura o calor. El aire contaminado debe conducirse al retorno, evitando reutilizarlo en otro lugar de trabajo. Este criterio reduce la exposición secundaria y facilita reconocer condiciones anormales.

La ventilación en serie de lugares ocupados no debe asumirse como una solución permitida. Cuando la normativa aplicable la admita y el plan de ventilación la contemple, se deben evaluar expresamente los efectos de contaminantes, calor, humo y emergencias aguas abajo. El aire que recibe la labor siguiente puede estar contaminado o calentado; un incendio o una liberación de gas aguas arriba puede afectar todo el recorrido posterior. Las restricciones específicas del país y de la operación prevalecen.^[1][2][7][8]

Prevenir cortocircuitos de aire y recirculación

Un cortocircuito ocurre cuando el aire toma una ruta no prevista de baja resistencia desde la entrada al retorno sin ventilar la zona objetivo. La recirculación ocurre cuando parte del aire de retorno vuelve a una corriente de entrada o a un sistema auxiliar. En ambos casos puede medirse un caudal elevado en el ventilador mientras el frente recibe una cantidad insuficiente de aire fresco.

Entre las causas habituales se encuentran:

• una puerta de ventilación abierta o dañada;

• fugas alrededor de un tabique o sello;

• un sistema auxiliar instalado donde el suministro de aire fresco es insuficiente;

• una separación inadecuada entre la descarga y la admisión del circuito auxiliar;

• un regulador mal ubicado o ajustado;

• una nueva conexión entre las labores de entrada y retorno; o

• cambios en la operación de los ventiladores que alteran las presiones de los ramales.

Operar los controles de ventilación conforme a un plan definido

Los tabiques, puertas, reguladores, cruces de aire superiores o inferiores, sellos y muros de cierre dirigen las corrientes y las mantienen separadas. Su estado importa tanto como su diseño. Un tabique deteriorado o una puerta abierta puede modificar el reparto del aire más allá de su ubicación inmediata. Deben inspeccionarse, identificarse en el plano de ventilación e incluirse en los procedimientos de gestión de cambios.^[1][7][8]

Los reguladores requieren especial cuidado. Al aumentar la resistencia de un ramal, pueden disminuir su caudal y redistribuir parte del aire hacia otros recorridos; el resultado depende de toda la red y del punto de operación de los ventiladores. No producen caudal adicional por sí mismos. Los ajustes importantes deben analizarse a escala del circuito completo y verificarse mediante mediciones, en lugar de asumir que cerrar un regulador mejorará automáticamente una zona.

Considerar el desarrollo futuro de la mina

La red cambia a medida que avanzan las labores, se habilitan o cierran sectores de explotación, se modifican las rutas de transporte y se prolongan los retornos. Una disposición suficiente para la etapa actual puede dejar de serlo al conectar otro nivel o extender una manga de ventilación.

La planificación debe considerar, como mínimo:

• la configuración actual de operación;

• las próximas etapas de desarrollo y explotación;

• los recorridos de entrada y retorno más largos previstos;

• el despliegue futuro de equipos diésel o eléctricos;

• las condiciones de calor y agua esperables a mayor profundidad;

• los cierres, sellos y modificaciones de labores programados; y

• los escenarios de operación normal, producción reducida, voladura, mantenimiento y emergencia.

Ventilación auxiliar en frentes de avance y labores ciegas

La ventilación auxiliar debe reevaluarse a medida que avanza el frente. En esta guía, ducto designa la conducción de aire, mientras que manga se utiliza para la conducción flexible; los términos no deben confundirse con la galería que la contiene. Una mayor longitud de ducto aumenta la resistencia y añade uniones donde pueden aparecer fugas. Sin embargo, la pérdida de presión y las fugas afectan el desempeño mediante mecanismos diferentes.

La fricción y las restricciones aumentan la presión necesaria para un caudal determinado. A igual velocidad de giro y ángulo de los álabes, pueden modificar el caudal del punto de operación, definido por la intersección entre la curva del ventilador y la del sistema. La fricción no elimina aire de un ducto hermético: sin fugas se conserva el flujo másico, aunque el caudal volumétrico puede variar si cambia la densidad.^[10][11]

Las fugas modifican la relación entre el caudal del ventilador y la entrega o captación en el frente. En una manga impelente puede escapar aire antes de llegar a la salida. En un ducto aspirante, las fugas pueden incorporar aire de la galería, de modo que el ventilador mueve más caudal del que extrae en el frente. La recirculación es un problema distinto: puede reducir el aporte de aire fresco sin disminuir el caudal total del ventilador.^[1][2]

La revisión del sistema debe comprobar:

• el caudal de aire fresco disponible para el circuito auxiliar desde la red principal;

• la posición del ventilador y de su descarga respecto de la entrada de aire y del retorno;

• el diámetro, la longitud, el material, las uniones, los codos y el estado de las mangas o ductos;

• la distancia desde la salida del ducto impelente o la boca de aspiración hasta el frente;

• el caudal realmente suministrado en la salida del ducto impelente o extraído por la entrada del ducto aspirante, no solamente el caudal nominal indicado por el fabricante;

• el recorrido por la galería, fuera del ducto, que completa la circulación local entre la entrada y el retorno;

• las condiciones de polvo, gases, calor y gases de voladura;

• los efectos del movimiento de los equipos y de la extensión de las mangas; y

• los enclavamientos de seguridad, las alarmas y los procedimientos ante una pérdida de ventilación.

En una disposición auxiliar impelente sencilla, el ventilador envía aire hacia el frente por el ducto, que trabaja a presión positiva respecto de la galería en el tramo de descarga. En una disposición aspirante sencilla, el aire fresco llega por la galería y el aire del frente se extrae por el ducto; el tramo de succión trabaja en depresión y debe resistirla sin colapsar. Las mangas de aspiración deben ser aptas para esa presión de trabajo, por ejemplo mediante un refuerzo adecuado; una manga flexible de impulsión no es automáticamente intercambiable. Los sistemas combinados exigen coordinar caudales y posiciones. Una instalación impelente no se convierte en aspirante simplemente invirtiendo el giro del motor: la aerodinámica del ventilador, la construcción del ducto, las conexiones, los controles y la descarga al retorno deben ser adecuados para el servicio previsto.^[1][11]

Los aspectos de selección de equipos y de operación con mangas se desarrollan en la página de ventiladores auxiliares de mina.

Principales desafíos de la ventilación minera subterránea

Gases y productos de la voladura

Los riesgos por gases dependen de la geología y del método de explotación. El metano es una preocupación central en muchas minas de carbón. Otras operaciones pueden requerir el control de gases producidos por la voladura, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, compuestos de azufre, radón o gases de proceso. En Chile se utiliza el término tronadura para la operación de voladura; los gases y humos son productos de esa operación. El plan debe identificar las fuentes probables, las tasas de emisión esperadas, las estaciones de medición, los niveles de alarma, los tiempos necesarios para evacuar gases y los procedimientos de reingreso.^[1][2][7][8]

Después de una voladura, restablecer la operación del ventilador no demuestra que el frente sea seguro. El tiempo necesario para evacuar los gases depende de su cantidad y ubicación, del caudal disponible, de la distancia al retorno, de las zonas con aire estancado y del estado de la ventilación auxiliar. El reingreso debe cumplir los tiempos mínimos que correspondan, la verificación de la atmósfera y la autorización prevista en el procedimiento de la mina. No basta con que transcurra un tiempo fijo ni con comprobar que el ventilador gira.^[1][2]

Material particulado diésel y emisiones gaseosas

Los equipos diésel emiten material particulado diésel (DPM, por sus siglas en inglés) y gases como monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, compuestos de azufre e hidrocarburos. Deben evaluarse tanto la exposición como las condiciones de generación y transporte de estas emisiones en minas de carbón, metálicas y no metálicas.

Como antecedente regional, el Instituto de Salud Pública de Chile publicó un estudio de exposición a material particulado diésel en obras civiles subterráneas. Su alcance es ese tipo de obras: no constituye un límite de exposición único para todas las minas sudamericanas. Para cada operación deben utilizarse el método de muestreo, la fracción o indicador analítico y los límites que correspondan a su legislación.^[3][4]

Una estrategia práctica de control puede combinar:

• caudal suficiente para diluir y conducir las emisiones hacia el retorno;

• motores de menores emisiones y combustible de calidad adecuada;

• mantenimiento y pruebas de emisiones;

• filtros de partículas diésel u otros tratamientos de escape compatibles con la aplicación;

• control del tránsito y del funcionamiento innecesario al ralentí;

• programación de los equipos y límites a su operación simultánea por sector; y

• muestreo de exposición y monitoreo de la atmósfera de trabajo.

Aumentar el caudal puede reducir la concentración, pero también elevar el consumo de energía sin corregir las emisiones de un equipo mal mantenido. La ventilación debe coordinarse con el control en la fuente y la evaluación higiénica. Un valor citado en un estudio o en la norma de otro país no sustituye los requisitos vigentes de la operación.

Control del polvo

La ventilación diluye y transporta polvo suspendido, pero no lo capta automáticamente en su origen. Una velocidad excesiva puede volver a suspender polvo depositado. El corte, la perforación, el chancado o trituración, el carguío, los puntos de transferencia y la aplicación de concreto u hormigón proyectado pueden requerir aspersión de agua, encapsulamiento, lavadores de aire, colectores húmedos o extracción localizada, además de la ventilación general. La medida se selecciona según el punto de generación y las condiciones de la operación.^[2][8][10]

Cuando se necesita captación o tratamiento, el caudal de extracción, la ubicación de la campana, la resistencia del ducto, el circuito de agua o filtración y la descarga final deben diseñarse como un sistema específico de control en la fuente. La guía de equipos para extracción de polvo en minas presenta esta categoría de equipos.

Calor y humedad en minas profundas

La carga térmica puede provenir de la roca, la autocompresión del aire al descender por un pique de entrada, el agua subterránea caliente, los motores diésel, los accionamientos eléctricos, la voladura y la actividad humana. La ventilación es una medida de ingeniería importante, pero ciertas condiciones requieren refrigeración o enfriamiento complementario.

En Chile, el D.S. N° 594 evalúa la carga calórica ambiental mediante el índice de temperatura de globo y bulbo húmedo (TGBH), junto con la carga de trabajo y las condiciones de exposición previstas en sus disposiciones. No basta medir únicamente la temperatura de bulbo seco. Esta referencia corresponde al ámbito chileno: no reemplaza los criterios de Perú, Colombia u otro país, ni el cálculo térmico específico de la mina.^[4]

Más caudal no siempre resuelve todo el problema. Si el aire de entrada ya está caliente y húmedo, su capacidad de enfriamiento es limitada. Las velocidades altas también pueden levantar polvo o afectar las condiciones en las vías de tránsito. Un estudio de manejo térmico puede considerar:

• las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y, cuando el método lo requiera, de globo, junto con el índice térmico aplicable para evaluar la exposición;

• la humedad y el ingreso de agua en las vías de admisión;

• el calor de la roca y del agua subterránea;

• el calor de los equipos y de las voladuras;

• la longitud de los recorridos y la autocompresión;

• el enfriamiento localizado o centralizado del aire; y

• los regímenes de trabajo y descanso y las medidas de prevención del estrés térmico.

Cambios en la producción y en la demanda de aire

La demanda cambia cuando se desplazan equipos y trabajadores, se trasladan actividades entre niveles, se realizan voladuras o avanzan los frentes. Un ajuste fijo puede entregar demasiado aire a un sector inactivo y dejar insuficientemente ventilada una labor activa. Sin embargo, reducir el caudal sin información confiable puede eliminar un margen de seguridad necesario.

El sistema debe definir los estados normales y anormales de operación, los caudales mínimos permitidos, los requisitos de monitoreo y quién está autorizado para modificar controles o condiciones de funcionamiento de los ventiladores.

Consumo de energía y eficiencia del sistema

La ventilación puede constituir una carga eléctrica continua importante. Su participación real en el consumo y las posibilidades de ahorro dependen de la profundidad, los recorridos, las condiciones térmicas, la producción y los equipos. Los estudios peruanos de modelamiento de redes y los análisis chilenos de ventilación bajo demanda permiten examinar alternativas, pero sus resultados no deben transformarse en porcentajes garantizados para otra mina.^[5][9]

La eficiencia del sistema no se reduce a la eficiencia del ventilador. Se puede consumir energía innecesariamente por:

• vías de entrada o retorno con resistencia elevada;

• reguladores y estrangulamientos innecesarios;

• fugas en tabiques, puertas o mangas;

• configuraciones deficientes de admisión, transición o descarga en las estaciones de ventilación;

• suministro excesivo de aire a zonas inactivas;

• ajustes de control inadecuados; y

• ventiladores que operan lejos de las condiciones requeridas por la red.

Monitoreo, aforos y levantamientos de ventilación

Un diseño o modelo computacional sigue siendo una predicción hasta contrastarlo con mediciones en interior mina. Los aforos y levantamientos establecen la distribución real del aire y las relaciones de presión. El monitoreo aporta información continua sobre condiciones críticas entre campañas de medición.^[5][6]

¿Qué variables deben medirse?

Velocidad del aire y área de la sección. Juntas permiten determinar el caudal de un ramal o lugar de trabajo. Sirven para verificar la distribución, detectar una reducción de caudal y actualizar el modelo de ventilación.

Presiones. Registre si se mide presión estática o total y cuáles son los dos puntos utilizados en una lectura diferencial. Junto con el caudal, mediciones consistentes permiten verificar el punto de operación e investigar restricciones, fugas o cambios de regulación.

Concentraciones de gases y contaminantes. Utilice instrumentos y métodos de muestreo apropiados para los riesgos identificados. Los resultados apoyan la evaluación de la atmósfera y de la exposición, las alarmas, el control de equipos y los procedimientos de reingreso.

Temperatura y humedad. Son necesarias para evaluar el ambiente térmico y el desempeño del enfriamiento. Compare las mediciones entre zonas y estados de operación para identificar efectos de la profundidad, de las estaciones del año y de los sistemas de refrigeración.

Condición del ventilador. Registre estado de marcha, velocidad, potencia, vibración y temperatura de rodamientos. Estos datos permiten relacionar el deterioro o las fallas del equipo con cambios de funcionamiento de la red.

Posiciones de puertas, reguladores y otros controles. Compruebe que la configuración real coincida con el plano de ventilación. Un cambio de posición puede explicar una variación inesperada de caudal aunque no se haya modificado el ventilador.

El decálogo de la Agencia Nacional de Minería de Colombia vincula el monitoreo de la atmósfera, las mediciones de ventilación y el mantenimiento de equipos de control. Es una referencia de orientación publicada en 2021, no una sustitución del reglamento y sus modificaciones. Los instrumentos, estaciones, niveles de alarma y frecuencias deben establecerse según el riesgo, el plan y la normativa de la operación. No corresponde copiar automáticamente la frecuencia indicada para un país a un proyecto de otro.^[6][7][8]

La calidad de la medición es decisiva

Los errores frecuentes incluyen estaciones mal ubicadas, áreas de sección incorrectas, turbulencia cerca de codos o puertas, instrumentos sin calibración vigente, un número insuficiente de puntos distribuidos sobre la sección de aforo y lecturas tomadas con una configuración no documentada de la red. Un registro útil debe indicar fecha, ubicación, sección, método, instrumento, estado de operación y controles u obstáculos cercanos.

Contrastar el modelo con las condiciones reales de la mina

Cuando el caudal medido difiere del modelo, la respuesta no consiste necesariamente en aumentar la presión del ventilador. La diferencia puede indicar:

• una resistencia de galería mal estimada;

• una puerta o regulador en una posición distinta de la supuesta;

• fugas a través de un tabique o hacia labores antiguas;

• una vía restringida o deteriorada;

• una fuga o conexión dañada en el ducto;

• una nueva conexión todavía no incorporada al modelo; o

• un ventilador o sistema de control que opera de forma distinta a la considerada.

El modelo debe calibrarse con datos medidos y actualizarse después de cambios importantes. El estudio de modelamiento registrado en la Pontificia Universidad Católica del Perú ilustra una revisión que parte de información de campo para evaluar la red existente y proponer mejoras. Es un trabajo académico de una operación particular, no una validación de todos los diseños posibles.^[5]

Señales de advertencia y primeras verificaciones

Los siguientes patrones orientan la investigación, pero no constituyen diagnósticos definitivos. Las comprobaciones deben seguir los procedimientos de la mina y documentar la configuración de la red. Para comparar presión y caudal también deben ser compatibles los ajustes del ventilador, las estaciones y la densidad del aire.^[10][11][12]

La ventilación del frente empeora aunque el ventilador parece operar normalmente.

Las fugas, las uniones dañadas, una manga más larga, un ducto colapsado, las obstrucciones o una boca mal ubicada pueden reducir el caudal suministrado o extraído en el frente. La recirculación puede disminuir el aporte de aire fresco aunque el caudal medido en el ventilador siga siendo alto.

Compare el caudal del ventilador con el medido en la salida del ducto impelente o en la entrada del ducto aspirante, bajo las mismas condiciones de operación y con un criterio de densidad compatible. Inspeccione el ducto y las vías de entrada y retorno del circuito auxiliar.

El caudal de un ramal disminuye sin un cambio previsto en la operación del ventilador.

Una puerta o regulador en otra posición, un tabique dañado, una nueva conexión o una obstrucción pueden redistribuir presiones y caudales. El origen puede encontrarse en un ramal conectado, no necesariamente en la labor afectada.

Verifique las posiciones de los controles, inspeccione el recorrido y repita las mediciones de caudal y presión. Compare la configuración real con el plano vigente de ventilación.

Aumenta la presión del ventilador y disminuye el caudal.

Con ajustes sin cambios y operación en una zona estable de la curva, este patrón puede corresponder a un aumento de resistencia. Entre las causas están una manga colapsada, una rejilla obstruida, una transición dañada o el deterioro de la sección de una labor.

Confirme los ajustes del equipo, la definición de presión y los puntos de medición. Compare las presiones a lo largo del circuito e inspeccione los componentes donde hayan aumentado las pérdidas.

El caudal del ventilador aumenta inesperadamente mientras baja la presión.

Con condiciones de operación comparables, una puerta abierta, una fuga importante o un cortocircuito de ventilación pueden reducir la resistencia efectiva sin mejorar el aire disponible en el frente.

Realice un balance de aire y revise puertas, tabiques, sellos, reguladores y conexiones nuevas. Determine hacia dónde circula realmente el caudal adicional.

Las tendencias de gases, temperatura o material particulado diésel empeoran al trasladarse la producción.

La demanda puede haberse desplazado sin un ajuste equivalente en la regulación. También pueden haber cambiado la programación de equipos, el caudal del ramal o la calidad y ubicación de las mediciones.

Confirme las actividades y posiciones de los equipos, revise los instrumentos o resultados de muestreo y mida el caudal del sector afectado.

Los caudales calculados y medidos mantienen diferencias importantes.

Las posibles causas incluyen geometría o resistencia incorrectas, posiciones de control y conexiones no registradas, fugas, estaciones inadecuadas y datos tomados en estados operativos distintos.

Repita el levantamiento con la configuración documentada, contraste el plano con la configuración real de las labores y recalibre el modelo antes de modificar la condición de operación del ventilador.

Ventilación bajo demanda y control adaptativo

La ventilación bajo demanda (VoD) ajusta el caudal según las actividades y las condiciones ambientales, en lugar de mantener todos los componentes controlables en una única consigna. Puede utilizar el programa de producción, la ubicación de vehículos y personas, mediciones de gases y temperatura, caudales de ramales, presión, posiciones de puertas y estado de los equipos.

Una implementación gradual puede comprender:

1. Control por horario: consignas predefinidas para turnos, voladuras, mantenimiento o períodos sin actividad.

2. Control por eventos: ajustes cuando un equipo entra a un sector o comienza una actividad de producción.

3. Control con retroalimentación: ajuste a partir de las mediciones de gases, temperatura, presión o caudal.

4. Control coordinado de la red: operación conjunta de ventiladores, reguladores, puertas y consignas de los diferentes sectores.

Un trabajo de la Universidad de Chile, desarrollado por Nino Stephano Lotito Toro en 2022, evaluó alternativas de ventilación bajo demanda y suministro energético en un modelo de mina con explotación por hundimiento de bloques. Comparó escenarios de operación y energía, incluida la incorporación de equipos eléctricos. Es una evaluación de escenarios, no una garantía de ahorro ni una certificación de resultados de campo para otra mina. El beneficio real depende de la variación de demanda, la capacidad de controlar la red, la confiabilidad de sensores y comunicaciones y las prácticas existentes.^[9]

La VoD no autoriza a reducir caudal simplemente porque un sector parezca inactivo. Un sistema confiable requiere:

• caudales mínimos y restricciones de seguridad definidos;

• ubicaciones de sensores validadas e instrumentos calibrados;

• estados seguros ante fallas de comunicación o sensores;

• enclavamientos de seguridad y procedimientos de respuesta a alarmas;

• un modelo de red o una lógica de control verificada que considere los ramales conectados;

• autorizaciones y procedimientos para pasar a control manual; y

• verificación de que el caudal en interior mina cambia efectivamente de acuerdo con la orden de control.

Planificación ante fallas y gestión de cambios de ventilación

La ventilación puede cambiar rápidamente después de la detención de un ventilador, una interrupción eléctrica, un incendio, el daño de un control, el ajuste de un regulador, la apertura de una conexión o una falla de la manga auxiliar. Las consecuencias pueden extenderse más allá del lugar donde ocurrió el cambio.

El plan de respuesta de la operación debe contemplar:

• la detención de ventiladores principales, de refuerzo y auxiliares;

• fallas de suministro eléctrico, control, sensores o comunicaciones;

• alarmas por presión o caudal insuficientes;

• alarmas por gases, humo, temperatura u otros contaminantes;

• el retiro del personal de las zonas afectadas y el aislamiento seguro de los equipos;

• las restricciones para volver a poner equipos en marcha;

• la inspección y verificación de la atmósfera antes del reingreso;

• las disposiciones de ventilación temporal debidamente autorizadas; y

• el registro, investigación y autorización de los cambios.

Los países sudamericanos no tienen un reglamento único. Chile regula la ventilación dentro de su Reglamento de Seguridad Minera; Perú la aborda en el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería y sus modificaciones; Colombia dispone del Decreto 1886 de 2015, modificado por el Decreto 944 de 2022. Cada operación debe aplicar sus obligaciones vigentes sobre diseño, mediciones, responsables, planos y respuesta ante detenciones. Un ejemplo de otro país no reemplaza la exigencia local.^[1][2][7][8]

Proceso práctico para evaluar un sistema de ventilación subterránea

1. Definir las etapas de la mina y los escenarios operativos. Revise las labores actuales, el desarrollo previsto, los sectores de producción, los programas de operación de equipos, los ciclos de voladura, las condiciones de mantenimiento y las ampliaciones futuras.

2. Identificar los riesgos y los criterios de caudal. Registre las fuentes de gases, material particulado diésel, polvo, gases de voladura, calor, humedad, incendio y emisiones de proceso. Confirme los caudales y velocidades mínimos, los límites de exposición y los criterios de la operación.

3. Levantar la red de ventilación. Ubique entradas, retornos, conexiones de ramales, controles, circuitos auxiliares, sellos, rutas de fuga de aire, ventiladores y estaciones de medición.

4. Medir el sistema existente. Realice aforos y mediciones de presión, composición de la atmósfera y condiciones térmicas con la configuración de la red documentada. En ventilación auxiliar, mida el caudal suministrado en la salida del ducto impelente o extraído por la entrada del ducto aspirante, según corresponda.

5. Construir o actualizar el modelo. Utilice los caudales y presiones medidos para estimar resistencias y calibrar el modelo de la red. No dependa únicamente de planos de diseño ni de rugosidades supuestas.

6. Comparar alternativas. Evalúe mejoras de galerías, reparación de fugas, rutas paralelas, cambios de controles, secuencia de producción, ajustes de ventiladores y etapas futuras. Registre la base de los márgenes por fugas, crecimiento e incertidumbre, evitando sumar porcentajes sin justificación.

7. Establecer el rango de operación inicial y comparar equipos. Defina los pares de caudal y presión para las condiciones mínimas, normales y máximas, la densidad, el montaje, el control y la respuesta prevista ante fallas. Compare opciones y vuelva a verificar la red con la curva y la instalación seleccionadas.

8. Poner en servicio y verificar. Compruebe el desempeño de la instalación con mediciones de campo, pruebas de alarmas, controles y, cuando proceda, ensayos de aceptación en fábrica o en sitio. Como información complementaria, consulte la página sobre fabricación y control de calidad de ventiladores para minas; los métodos, tolerancias y ediciones de normas deben ser los establecidos para el proyecto.

9. Mantener y revisar. Actualice el plano y el modelo después de cambios importantes, compare tendencias, inspeccione controles y mangas e investigue diferencias que no tengan una explicación técnica.

Cómo cambian las prioridades según el tipo de mina

Minas subterráneas de carbón. El metano, el polvo de carbón, el calentamiento espontáneo, el riesgo de combustión y las fuentes de ignición pueden condicionar el diseño. La separación de corrientes, el monitoreo, la aprobación de equipos, la operación de ventiladores y la prevención de recirculación deben cumplir los requisitos aplicables a cada mina.^[1][7][8]

Minas metálicas subterráneas. Las emisiones diésel, los gases de voladura, el polvo de sílice o mineral y el calor en profundidad suelen ser prioritarios. Las rampas largas y los sectores de producción dispersos hacen especialmente importante revisar la resistencia de la red, la programación de equipos, la ventilación auxiliar y el desarrollo de nuevos niveles.^[2][5]

Minas subterráneas no metálicas. Las emisiones diésel, el polvo y los gases de voladura siguen siendo relevantes. En explotaciones con grandes aberturas o cámaras y pilares debe prestarse atención a la distribución entre labores, los cortocircuitos, la demanda de equipos y la verificación de caudales a medida que cambian los sectores productivos.

Esta comparación es orientativa. La geología, el método de explotación, la profundidad, la normativa y la evaluación real de riesgos determinan el diseño definitivo. Una mina metálica o no metálica también puede presentar gases inflamables u otras condiciones que exijan medidas adicionales.

Los ejemplos normativos de Chile, Perú y Colombia tienen ámbitos de aplicación diferentes. Las referencias citadas deben consultarse con sus modificaciones vigentes y con los requisitos específicos del proyecto; no equivalen a una norma general para toda Sudamérica.^[1][2][7][8]

Datos necesarios para una revisión del sistema de ventilación

Para una evaluación preliminar útil, entregue la mayor cantidad disponible de la siguiente información:

• plano actual y desarrollo previsto, con niveles, piques, bocaminas, rampas, chimeneas y principales galerías;

• ubicación de entradas y retornos y sentidos de circulación previstos;

• dimensiones, longitudes, condición y principales restricciones de las labores;

• pares de caudal y presión para los escenarios de operación mínima, normal y máxima en las etapas actuales y futuras;

• caudales y presiones medidos en estaciones principales y lugares de trabajo, con ubicación y condiciones de medición;

• indicación de caudal real o normalizado, tipo de presión —estática o total— y puntos comparados cuando se informa una diferencia;

• densidad del aire o condiciones de referencia utilizadas en cálculos, curvas y datos de aceptación;

• profundidad de la mina, altitud del sitio, temperatura, humedad y condiciones del agua subterránea;

• método de explotación, programa de desarrollo y etapas de ampliación;

• clase, potencia, cantidad, ubicación y horario de operación de los equipos diésel;

• riesgos por gases, polvo, material particulado diésel, voladuras, calor o procesos;

• diámetro, material, longitud, codos, fugas y caudal requerido en el frente para los ductos auxiliares;

• datos de placa de los ventiladores existentes, curvas disponibles, velocidad de giro o ángulo de los álabes, datos medidos, controles y configuración de servicio y reserva;

• voltaje, frecuencia, método de arranque o regulación de velocidad e interfaces de control requeridas;

• puertas, reguladores, tabiques, sellos, rutas de fuga de aire y otros controles de ventilación;

• estaciones de monitoreo, niveles de alarma y tendencias disponibles; y

• normativa aplicable, plan de ventilación y criterios de aceptación del proyecto.

La falta de algunos datos no impide una primera conversación, pero limita la precisión de las recomendaciones de caudal y presión. Las mediciones de los ramales y un plano de ventilación actualizado suelen aportar más que conocer solamente la potencia del motor o el diámetro del ventilador.

Preguntas frecuentes sobre ventilación de minas subterráneas

¿En qué se diferencian un sistema de ventilación minera y un ventilador minero?

El sistema comprende entradas, retornos, labores, controles, ductos, monitoreo, procedimientos y ventiladores. El ventilador aporta la presión que mueve el aire por esa red. Por ello, primero se definen los requerimientos iniciales del sistema y luego se comprueba su compatibilidad con los equipos y el montaje seleccionados.

¿Cuál es la diferencia entre ventilación principal y auxiliar?

La ventilación principal mueve el aire por los circuitos de entrada y retorno de la mina. La auxiliar atiende labores ciegas y otros sectores que no reciben una circulación suficiente a través de la red principal. Depende de esta última para disponer del aire fresco necesario.

¿Por qué el caudal del frente puede ser menor que el del ventilador?

En un sistema impelente, las fugas reducen el caudal suministrado por la salida del ducto. En uno aspirante, puede ingresar aire de la galería a través de fugas y uniones defectuosas; por ello, el caudal del ventilador puede superar al extraído en el frente. La fricción modifica la presión y el punto de operación, pero no elimina aire de un ducto hermético. La recirculación puede reducir el aporte de aire fresco sin disminuir el caudal total. Compare magnitudes equivalentes y con condiciones de densidad compatibles.

¿Aumentar la velocidad del ventilador siempre resuelve un caudal insuficiente?

No. La causa puede ser una restricción, un control dañado, fugas, cortocircuitos, recirculación, un reparto desequilibrado o mangas inadecuadas. Elevar la presión sin diagnosticar la red puede aumentar la potencia absorbida y el ruido sin mejorar significativamente el caudal de aire fresco disponible en el lugar de trabajo. Primero debe identificarse la condición que limita el sistema.

¿Con qué frecuencia deben realizarse los aforos y levantamientos de ventilación?

La frecuencia depende de la normativa nacional, del tipo de mina, de los riesgos, del plan de ventilación y del ritmo de cambios. Además de los intervalos exigidos, corresponde verificar el sistema ante modificaciones importantes, lecturas inesperadas, cambios de ventiladores o controles, nuevas conexiones y avances relevantes. No debe trasladarse automáticamente la periodicidad de otro país.

¿La ventilación por sí sola puede controlar el calor en una mina profunda?

No siempre. La temperatura de la roca, el agua caliente, la humedad, la autocompresión y la carga de los equipos pueden superar la capacidad de enfriamiento del aire disponible. Pueden requerirse enfriamiento localizado, agua fría, refrigeración, mejoras de drenaje o enfriamiento centralizado, junto con medidas de prevención del estrés térmico.

¿Puede utilizarse el mismo diseño en minas de carbón y minas metálicas?

No existe un diseño único. En las minas de carbón pueden dominar el metano, el polvo de carbón, los riesgos de calentamiento y combustión espontáneos y la protección frente a fuentes de ignición. En minas metálicas y no metálicas pueden ser determinantes las emisiones diésel, los gases de voladura, el polvo de sílice o mineral, el calor y la extensión de las labores. La solución debe responder a los riesgos reales y a la normativa aplicable.

Conclusión

Una ventilación subterránea eficaz entrega el caudal necesario a cada zona activa; no se limita a lograr un caudal total elevado en el ventilador. El proceso consiste en definir la demanda, medir y modelar la red, corregir resistencias y fugas evitables, establecer el rango requerido de caudal y presión, y seleccionar o ajustar los equipos. La red y los ventiladores se verifican conjuntamente a medida que se concreta el proyecto. Así se relacionan el diseño del sistema y la selección de equipos sin confundir ambas tareas.