Planificación, diseño y simulación 3D del sistema de ventilación de una mina de oro en Guinea - África

Abstract

La minería a nivel mundial es una ciencia que abarca distintas disciplinas, engloba profesionales de distintos sectores, países, culturas. La minería africana se caracteriza por ser la cuna de los sistemas de refrigeración para las minas y el desarrollo de la Ingeniería en Ventilación Subterránea contiene un avance destacado en tecnología y aplicaciones. La ventilación minera es una especialización de la minería subterránea, su aplicabilidad e importancia radica en la seguridad de los trabajadores que ingresan a la mina y su correspondiente optimización del consumo energéticos; por ello diseñarla y planearla es crucial en cada etapa de un proyecto minero (Conceptualmente, en la Prefactibilidad, en la Factibilidad, durante la ingeniería a detalle y cada año de exploración y operación). Si no se tuviera una adecuada ventilación en los frentes de desarrollo, preparación, exploración, entre otros, quedarían paralizados ocasionando pérdidas en la producción, en el cumplimiento de objetivos y por ende en la rentabilidad del proyecto. En la presente investigación se diseñará y planeará el sistema de ventilación de un proyecto minero de 11 años de vida útil con el soporte del software Ventsim de una mina de oro africana de 400m de profundidad con un método de explotación Sub Level Stoping que garantice una cobertura de aire proyectada mayor al 100% durante cada año bajo criterios de diseño aceptados internacionalmente y el cumplimiento de la norma Ghana. La metodología usada para este estudio se centra en definir inicialmente la mejor forma de calcular y considerar el requerimiento de aire proyectado según equipos, personas, labores a operar y requerimientos mínimos, resultando que la mina obtendrá un requerimiento máximo de aire de 409.8 m3/s (868 kcfm) en el año 2028 basándonos principalmente en la cantidad de equipos y personas. La producción de 3750 ktpd (1.37 Mtpa) implica tener 5 frentes activos de producción acompañados de sus frentes de preparación y desarrollo. De esta manera nos basamos en calcular la ventilación auxiliar donde considerando dos escenarios; uno donde en el frente solo ingresará el Scoop CAT R2900G de 9 yd3 el caudal requerido como mínimo es 18.1 m3/s (38.3 kcfm) para labores de producción y preparación y un segundo escenario donde ingresará el Scoop y un Volquete Modelo Sandvik TH663 de 63 Ton resultando el caudal requerido como mínimo en el frente de 36.2 m3/s (76.7 kcfm) para las labores de desarrollo. Al definir el requerimiento por frente, se determinó el diámetro óptimo de las mangas a utilizar (1.4m) para las labores. El diseño también comprueba el cumplimiento mínimo en cada labor de 0.75 m/s para las labores de desarrollo y 0.5 m/s para las labores de producción y preparación en todos los años la velocidad mínima establecida por la normativa Ghana. Debido a que la mina se encuentra en el continente africano, existe una posibilidad de poseer temperaturas por encima de los 32.5°C de bulbo húmedo en las labores más profundas por la cercanía a la Línea Ecuatoriana y la temperatura de la roca virgen de la roca, sin embargo, la temperatura de bulbo húmedo en superficie es de 26.5°C, la temperatura de roca virgen según estudios considerados es de 25°C, la gradiente geotérmica es de 2°C/100m y una profundidad de 400 m. Por ello, la simulación de temperatura en todos los casos resulta con temperatura en las labores menores a 32.5°C Tbh, recomendando que para las labores por encima de los 28.5°C se deberá utilizar cámaras de aire acondicionado para los trabajadores. También se analizó desde el punto de vista económico, determinando y comparando el costo de ventilación de 1.45 $/t de la mina con minas en el África de similares características. Dando como resultado menor al promedio de minas. De esta manera concluimos que la planificación y diseño del sistema de ventilación no solo cumple con satisfacer la cobertura de aire mayor al 100%, además de cumplir la normativa de Ghana, sino también desde el punto de vista económico es atractivo a diferencia de otras minas de similares características.

Global mining is a science that encompasses various disciplines and brings together professionals from different sectors, countries, and cultures. African mining is renowned as the birthplace of cooling systems for mines, and the development of Underground Ventilation Engineering represents a significant advancement in technology and applications. Mine ventilation is a specialization within underground mining, and its importance lies in the safety of workers entering the mine and in optimizing energy consumption. For this reason, designing and planning ventilation systems is crucial at every stage of a mining project (conceptually, in Prefeasibility, Feasibility, detailed engineering, and throughout each year of exploration and operation). Without proper ventilation in development, preparation, exploration, and other mining fronts, operations would be halted, leading to production losses, failure to meet objectives, and ultimately reduced project profitability. This research focuses on designing and planning the ventilation system for an 11-year mining project using Ventsim software for an African gold mine at a depth of 400 meters. The mine will utilize the Sub Level Stoping extraction method, ensuring a projected air coverage of over 100% each year, in accordance with internationally accepted design criteria and compliance with Ghanaian regulations. The methodology used in this study begins by defining the best approach to calculating and considering the projected air requirements based on equipment, personnel, tasks to be performed, and minimum requirements. As a result, the mine will require a maximum air demand of 409.8 m³/s (868 kcfm) in 2028, primarily based on the number of equipment and workers. The production rate of 3,750 ktpd (1.37 Mtpa) will involve 5 active production fronts, accompanied by preparation and development fronts. The ventilation design is based on two scenarios: the first scenario involves only the Scoop CAT R2900G (9 yd³), with a minimum required airflow of 18.1 m³/s (38.3 kcfm) for production and preparation tasks; the second scenario includes both the Scoop and a Sandvik TH663 63-ton truck, resulting in a required airflow of 36.2 m³/s (76.7 kcfm) for development tasks. Based on this, the optimal diameter of the ventilation ducts (1.4m) for these tasks was determined. The design also ensures compliance with the minimum airflow velocity for each task, which is 0.75 m/s for development tasks and 0.5 m/s for production and preparation tasks, as per Ghanaian regulations, across all operational years. Given that the mine is located in Africa, there is a possibility of temperatures exceeding 32.5°C wet bulb at deeper levels due to its proximity to the Equator and the temperature of the virgin rock. However, the surface wet bulb temperature is 26.5°C, the virgin rock temperature is 25°C according to studies, the geothermal gradient is 2°C/100m, and the depth is 400 meters. Temperature simulations for all cases show that the temperature at work levels will remain below 32.5°C wet bulb, with the recommendation that air-conditioned chambers should be used for workers in areas with temperatures exceeding 28.5°C. An economic analysis was also conducted, comparing the ventilation cost of $1.45 per ton for this mine with other mines in Africa with similar characteristics. The result shows that the cost is lower than the average for comparable mines. In conclusion, the planning and design of the ventilation system not only ensures air coverage exceeding 100% and compliance with Ghanaian regulations, but also proves economically attractive compared to other mines with similar characteristics.