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metodos para el drenaje en una mina, como evitar inundaciones, y posibles derrumbes

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  1. 1. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 PROYECTOS DE REINGENIERIA DE DESAGUES EN MINAS
  2. 2. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Ciclo del agua en la naturaleza El agua procedente de las precipitaciones atmosféricas se reparte en tres porciones: superficial, que discurre sobre la superficie terrestre y forma los torrentes o ríos; de infiltración, que penetra en el subsuelo y la que se pierde por evaporación, reintegrándose a la atmósfera. En este trabajo en mayor medida me voy a referir a: • Agua de infiltración, la cual procede de las precipitaciones atmosféricas y que penetra en el terreno por gravedad, favorecida por la existencia de grietas o fisuras en las rocas, y por la misma porosidad de los materiales que forman el subsuelo, constituyendo el agua subterránea. • Agua superficial, que se constituye en lagos, arroyos, torrentes y ríos, y que según su ubicación nos puede afectar en diferentes medidas a cualquier explotación minera.
  3. 3. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 En el subsuelo, el agua penetra hasta cierta profundidad, en lo que se denomina zona de aireación, aquí se efectúan desplazamientos verticales, bien sea descendiendo por la gravedad o ascendiendo por capilaridad, por lo tanto los poros de las rocas están parcialmente llenos de agua; esta zona queda limitada por el nivel hidrostático o “freático”, cuya profundidad varía de acuerdo con las precipitaciones atmosféricas, ascendiendo en épocas lluviosas y descendiendo en épocas de sequías. Por debajo del nivel hidrostático las rocas están completamente saturadas de agua, y no se producen desplazamientos verticales de la misma, existiendo por el contrario importantes desplazamientos horizontales, originados por el flujo del agua a los puntos de mínima presión, allí donde el nivel hidrostático aflore en superficie o donde sea cortado por un pozo; esta es la denominada zona de saturación. De todas formas, los desplazamientos horizontales del agua, en la zona de saturación cesan a cierta profundidad, variable según la naturaleza del terreno, por debajo de la cual el agua está inmovilizada, empapando las rocas del subsuelo, en la zona de estancación (Figura 1).
  4. 4. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 1: Vista de las diferentes zonas por donde discurre el agua en el subsuelo.
  5. 5. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Las cuencas hidrológicas subterráneas, salvo casos excepcionales, no coinciden con las cuencas hidrográficas superficiales, porque de una manera general, los accidentes topográficos no reflejan ni la estructura del subsuelo, ni la disposición de los estratos impermeables o accidentes tectónicos ocultos. Independientemente, el nivel freático local se acomoda al relieve topográfico, situándose a mayor profundidad en las elevaciones del terreno y aflorando en los valles por donde circula el agua superficial. Experimenta variaciones estacionales, elevándose en las épocas de lluvias y descendiendo en los periodos de sequía, aunque de hecho, las alteraciones del nivel freático tienen lugar con un retraso de un par de meses en relación con las precipitaciones. Por lo tanto el agua puede llegar a convertirse en un problema importante en el diseño de una explotación minera, bien sea de interior o a cielo abierto; de igual forma que se realiza un estudio geológico del yacimiento para calcular y conocer la disposición de las reservas a explotar, encaminado básicamente para el diseño del método de explotación mas adecuado para extraer el mineral con los menores costes posibles;
  6. 6. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 a la vez se realiza un estudio hidrogeológico minucioso de los acuíferos situados al techo del yacimiento, teniendo en cuenta la pluviométria o régimen de lluvias de la zona para poder valorar los sistemas de desagüe que sean mas adecuados para no perjudicar los trabajos normales de explotación. En cualquier explotación minera el agua va a representar como se ha dicho anteriormente un factor muy importante a tener en cuenta, y dentro de las dos porciones que nos van a afectar mas, podemos distinguir que el agua de infiltración o subterránea, nos puede afectar tanto a la minería a cielo abierto como a la de interior, con la diferencia que en la minería a cielo abierto siempre será mas fácil su extracción y el agua superficial siempre nos va a afectar en mayor medida a la minería a cielo abierto que a la de interior.
  7. 7. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Agua en la minería subterránea Es indudable que cada año se extraen muchos miles de millones de productos minerales y para ello, tienen que extraerse grandes cantidades de agua para obtener estos resultados; agua que de no ser extraída haría imposible el trabajo en la mina. Cada año se invierten cantidades ingentes de dinero en la realización de nuevos proyectos mineros, uno de los requisitos más importantes para obtener el máximo rendimiento de estas inversiones es que se utilicen las técnicas más avanzadas y los equipos más eficaces, y por supuesto en ello se incluyen la evacuación del agua que se genera en las explotaciones. Las fallas naturales o las grietas producidas por las explotaciones rompen la continuidad de los mantos impermeables y son el camino de entrada de las aguas, pero el agua más corriente en las minas profundas procede de niveles acuíferos subterráneos, aunque excepcionalmente pueda una grieta dar entrada a aguas superficiales directamente.
  8. 8. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La mayoría de las rocas son impermeables y las grietas que en ellas se produzcan suelen impermeabilizarse pronto. Naturalmente las rocas porosas son un peligro, y las calizas, al formar cavidades con almacenamiento de aguas, también. En las minas de sales el peligro del agua es mucho mayor y por ello se dejan fuertes macizos e incluso se rellenan con relleno hidráulico para cerrar el paso a posibles entradas de agua. Las medidas para evitar o disminuir la entrada de aguas en la mina pueden realizarse dentro de la mina o exteriormente a ella; entre las medidas de exterior está el estudio detallado de la hidrología superficial y subterránea, con el fin de regular o impermeabilizar los ríos, arroyos, etc. Desecar zonas pantanosas y drenarlas, captar mantos acuíferos con pozos y sondeos a menos costo que el desagüe a gran profundidad. Las medidas de interior pueden ser: el revestimiento o encubado de pozos, el relleno, los macizos de protección, la cementación y los cierres y diques para aislar las aguas; todas ellas entrañan múltiples dificultades y al final siempre hay una parte importante de agua que hay que bombear al exterior.
  9. 9. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Lo verdaderamente peligroso son los rompimientos súbitos de fuertes avenidas o inundaciones directas, que pueden anegar toda la mina y ponerla en peligro. Las lluvias solo repercuten en minas de poca profundidad y normalmente con un retraso de unos meses, se puede considerar que a profundidades mayores de 500 metros no afecta a la curva de desagüe. La circulación del agua en el subsuelo es lenta, menor de 3 metros por hora. De aquí la importancia de diseñar una buena red de desagüe, que en definitiva lo que persigue es la eliminación del agua de las minas por dos procedimientos: • tomando medidas para que no entre en ella, mediante la creación de canales perimetrales, impermeabilización e incluso desvíos de cauces. (lo veremos mejor en la minería a cielo abierto) • bombeándola fuera de la mina.
  10. 10. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Antecedentes de bombeo y desagüe en minas subterráneas Una tarea fundamental en la explotación de minas lo constituía la extracción de las aguas que se generaban en el interior, se tiene conocimientos de laboriosos métodos utilizados para la extracción, en la época romana este problema se solucionó mediante la construcción de galerías de drenaje (a veces de varios kilómetros de longitud) que exigían un buen estudio topográfico y maquinaria como la noria, el tornillo de Arquímedes o la bomba de pistones (Figura 2). Figura 2: Ejemplo de Tornillo de Arquímedes.
  11. 11. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 En la época medieval se solucionaba el problema mediante la conducción de las aguas por las galerías mediante cunetas a unos depósitos de recepción en zonas determinadas, siempre en las zonas mas bajas de la mina; y el desagüe se realizaba mediante tornos de mano para subir las “zacas”, que eran bolsas de cuero capaces de transportar entre 100 y 120 Kgrs, se establecía así un sistema que dividía el recorrido ascendente del agua en tramos, de modo que cada 20 ó 30 metros había un equipo formado por dos o cuatro tiradores que movían el torno, un “charquero” que era el que llenaba la zaca en el fondo del pozo, y un “amainador” que la vaciaba (Figura 3).
  12. 12. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 3: Desagüe de labores mineras con tornos de mano y zacas.
  13. 13. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 A continuación se implantó una nueva técnica de origen alemán, que consistía en el achique de agua mediante el método de bombas aspirantes, que eran accionadas mediante una palanca o balancín que daba movimiento al émbolo, y su ejecución, igualmente penosa, estaba encomendada a operarios denominados bomberos. La mayor eficacia de este sistema se vio en parte menoscabada por su deficiente construcción en madera de roble, lo que propiciaba frecuentes averías. Las bombas aspirantes estaban situadas de manera escalonada para formar un cuerpo de bombas capaz de subir el agua desde lo más hondo de la mina hasta la superficie. Hubo momentos en que coexistieron los dos métodos, y a la vez se produjeron numerosos ensayos, pero sin éxito, hasta que a comienzos de 1800 se sustituyó por completo el sistema de bombeo por bombas de aspiración, por la máquina de vapor bien llamada bomba de fuego, la cual en superficie generaba una energía potencial mediante la quema de madera en su caldera, y se establecía una conexión hasta el depósito mediante la prolongación de tubos, no se ajustaba el método a los esquemas de bombade simple efecto inventada por Watt, pero servía para extraerle agua desde el interior, este método funcionó hasta finales del siglo XIX (Figura 4).
  14. 14. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 4: Corte vertical de una máquina de vapor.
  15. 15. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La máquina de vapor, básicamente consistía en una caldera que, mediante un tubo, comunicaba con un cilindro/pistón unido a uno de los extremos de una gran vía basculante de madera o balancín, cuyo extremo accionaba una bomba de agua. El vapor procedente de la caldera empujaba el pistón hacia arriba hasta la posición superior; en ese momento, se proyectaba dentro del cilindro, un chorro de agua fría que enfriaba y condensaba el vapor, creando un vacío en su interior. Entonces el vacío creado, no contrarrestaba la presión atmosférica en la otra parte del émbolo y por ello empujaba el pistón hacía abajo arrastrando su lado de la viga y por ende, su otro extremo subía accionando la bomba la cual extraía el agua.
  16. 16. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Bombeo y desagüe en minas subterráneas La capacidad de bombeo requerida en las minas subterráneas varía considerablemente. En algunas minas, debe depurarse el agua usada y ser reciclada para atender las necesidades operativas del resto de instalaciones y reducir los costes. En otras, por el contrario, se han de bombear millones de litros de agua cada día de cada año, es indudable que el tamaño e infraestructura de mina va a ser un factor muy a tener en cuenta, y desde luego los grandes avances que han ido apareciendo para esta actividad. El agua que tiene que ser extraída de las minas no es H2O pura, contiene tanto: • Partículas sólidas, entre las que se incluyen finos procedentes de la perforación, grandes partículas abrasivas y varios tipos de lodos que pueden resultar dañinos para los equipos que se utilicen para su extracción. • Productos químicos, que se encuentran disueltos en el agua de mina, estos productos producen un agua altamente corrosiva que igualmente pueden afectar gravemente a los equipos de bombeo.
  17. 17. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El diseño de la red de bombeo o desagüe de una mina subterránea, va a ser muy variable con el transcurso del tiempo, ya que el diseño de una explotación en origen va ser muy definido, pero con el paso del tiempo y con la ampliación del campo de explotación, esta red tendrá que variar ya que comenzará a variar tanto la longitud de las galerías como la profundización, por lo tanto en cada planta habrá un depósito general, y de este en un momento dado será desde donde se bombeará al exterior, pero puede ser que con el paso del tiempo pueda dejarse de bombear al exterior y pueda servir de depósito secundario para bombear a otro principal y si este se sitúa a una cota inferior solo por una conducción por gravedad pase el agua del uno al otro. Podemos en cada caso atender a diferentes tipos de bombeo:
  18. 18. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Desagüe principal La recogida y extracción de las aguas constituye la instalación de desagüe propiamente dicha, en términos generales el agua se recoge en las galerías, en cunetas practicadas a piso en la base de uno de los hastíales que conforman la galería, lo normal es que vayan hormigonadas y con una pendiente mínima de 1 por 1000, y dirigida esa pendiente hacia unas galerías colectoras que normalmente están situadas unos 4 metros por debajo del piso de la llamada sala de bombas, incluso se puede recoger el bombeo de otras zonas de la mina y se conduce esta agua a este nivel mas bajo de bombeo general. Para determinar el volumen de estas galerías colectoras hay que conocer el sistema de funcionamiento del desagüe, y este va a depender del caudal de aporte y si las bombas van a funcionar con o sin interrupción, en principio seria conveniente que las bombas trabajasen a un turno donde haya menor consumo de energía, por lo tanto el volumen de las galerías necesita una capacidad para recoger el caudal de agua de las restantes horas de desagüe parado.
  19. 19. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 En régimen normal debe de haber dos galerías, una en funcionamiento y otra en limpieza y reserva, sabiendo que una de las funciones que cumplen estas galerías es la servir de decantación para el agua que llega; estas se disponen simétricas con relación a la sala de bombas y se comunican con ellas por pocillos verticales por los que baja la tubería de aspiración, que termina en la alcachofa rodeada de una envoltura de tela metálica para evitar la entrada de elementos que puedan fastidiar la bomba. Las salas de bombas son galerías ensanchadas y revestidas de hormigón, deben tener un puente grúa para mover las piezas pesadas con la mayor facilidad posible, y sobre todo deben estar bien ventiladas, ya que los motores que alimentan dichas bombas desprenden mucho calor; lo normal es que se construyan en zonas muy cercanas a los pozos o planos de bajada a la mina, para utilizar la ventilación limpia que entra del exterior y también para la colocación de la tubería de salida al exterior.
  20. 20. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Las bombas principales de desagüe prácticamente todas son centrifugas y alimentadas con motores eléctricos, son bombas de varios rodetes o pisos de presión, cada rodete equivale a 70 ó 150 metros de altura de agua, por lo tanto para el cálculo de la bomba a colocar en el desagüe principal de la mina habrá que conocer el caudal de aporte, la altura a la que haya que subir el agua al exterior y las pérdidas de carga (Figura 5). Figura 5: Vista del diseño de sala con tres bombas principales de bombeo.
  21. 21. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Desagüe secundario o auxiliar Este es que se utiliza para enviar el agua a las galerías colectoras principalmente, aunque en algunos casos según al nivel que se realiza lo hacen directamente al exterior, este es muy variable tanto en caudal como la ubicación, por lo tanto las dimensiones de estos depósitos van a ser muy variables y no con tanto detalle en su construcción como los anteriormente descritos; e igualmente el tipo de bombas utilizadas serán muy amplio dentro de las que existen en el mercado dependiendo de la cantidad de agua a desagüar, su calidad, etc; además si es conveniente que sean sumergibles, si tienen que estar alimentadas eléctricamente o por aire comprimido. Estos equipos pueden ser atendidos por alguna persona o incluso se pueden accionar de forma automática mediante la colocación de un sistema de control de nivel. A continuación vamos a ver una serie de posibilades y soluciones que se puedan dar, o casos:
  22. 22. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Bombeo por etapas con bombas pequeñas, que normalmente son sumergibles, y que se utilizan para mantener el agua fuera de los frentes de trabajo y para el transporte a estaciones de bombeo secundarias o principales, siempre en el mismo nivel; estás no requieren mas que un pequeño sumidero para la captación del agua y pueden ser alimentadas tanto con corriente eléctrica como aire comprimido. Bombeo entre niveles, se emplean bombas sumergibles para el bombeo entre uno a varios niveles, a la estación de bombeo principal mas cercana, puede darse el caso que según a la profundidad que esté situada se bombee directamente al exterior. Drenaje de pozos y lugares de trabajo., por cuestiones de trabajo y mantenimiento, no se construyen estaciones de bombeo complicadas tanto en los fondos de pozos y planos, como en otro tipo de labores, se constituyen unas estaciones de bombeo que pueden funcionar sin recibir atención durante periodos de tiempos mas largos que en el caso de instalaciones fácilmente accesibles.
  23. 23. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La capacidad de bombeo requerida varía según las circunstancias, debido a que el lodo se acumula en el fondo sin drenaje natural, es por lo que se utilizan bombas especialmente construidas para trabajar con este material (Figura 6). - Es importante también comentar que dentro de la infraestructura de la mina, y que según vaya evolucionando el campo de explotación, es importante integrar un depósito de almacenamiento de aguas para uso en las mismas labores de interior, bien sean para riegos en los frentes o para alimentar máquinas que precisan dicho elemento para su funcionamiento o refrigeración, este depósito se ubicará en una zona intermedia a donde se bombeará el agua y luego mediante una conducción de tuberías bajará por gravedad a las zonas de uso.
  24. 24. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 6: Bombas instaladas en una zona de acopio, funcionan mediante sondas de nivel.
  25. 25. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Desagüe y drenaje en minería a cielo abierto La procedencia del agua que puede encontrarse en una explotación a cielo abierto puede ser muy variable: • Aguas de drenaje (subterráneas y pluviales, en función de las características de la explotación (meteorología, naturaleza de los acuíferos, morfología de la zona de extracción, etc). • Captación de agua subterránea mediante perforación. • Captación de las aguas superficiales (ríos u otros cursos de aguas). La lucha contra el agua lleva implícito un estudio exhaustivo de la explotación y evitar de la mejor manera posible que el agua entorpezca la marcha normal de trabajo e incluso el peligro que conlleva la irrupción incontrolada de la misma en la mina, a continuación vamos voy a exponer una serie de medidas preventivas.
  26. 26. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El drenaje nos va a variar con la extensión de las corrientes de agua y la topografía de la superficie; aún en el caso de que el problema del drenaje no sea grave debe prestársele mucha atención si la estabilidad de los taludes y pistas resultan afectados por la humedad; en las explotaciones de minerales terrosos y poco consolidados el problema del agua puede ser particularmente grave. Los periodos de sequía traen como consecuencia el endurecimiento de la capa superior del suelo que luego, en caso de fuertes precipitaciones, tiene inicialmente escasa permeabilidad lo que produce dos efectos negativos: el suelo no se infiltra en profundidad y el agua, al no quedar retenida, produce importantes efectos erosivos ya que los torrentes de lluvias siguen las líneas de máxima pendiente provocando pérdidas de suelo. También se puede disminuir la pendiente de las regueras construyendo pequeños diques transversales con materiales existentes in situ, como piedras de escollera de tamaño reducido que reducen la velocidad del agua.
  27. 27. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El agua de escorrentías y filtraciones del terreno próximo a la corta se evita con diques y con drenajes; los arroyos hay que desviarlos con canales perimetrales construyendo represas y canalizaciones (Figura 7). Figura 7: Ejemplo de canal perimetral construido para la conducción de las aguas de escorrentía y bombeadas.
  28. 28. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El agua puede inducir condiciones de inestabilidad en un talud, cuando aumenta su contenido, ya que se produce una variación de las fuerzas que se ejercen sobre el terreno y se debilita la cohesión de los materiales aumentando el esfuerzo cortante. Para el drenaje superficial deben conocerse la orografía del terreno: en las cunetas la velocidad de la corriente de agua debe ser bastante rápida para arrastrar los sedimentos, pero no tanta que produzca erosión (incluso se puede llegar a hormigonar); las salidas de agua deben proyectarse de modo que no se vean afectadas por las labores mineras o que no vuelvan a la explotación por otro camino. Para realizar un drenaje profundo de aguas freáticas, se realiza una red de sondeos para bombeo, instalando bombas sumergibles en su interior que consiguen bajar el nivel freático de la zona, o mantenerlo a una profundidad alejada de las zonas a explotar.
  29. 29. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La estabilidad de los taludes es muy importante y a veces aparecen aguas colgadas que generan un inestabilidad, esta agua hay que recogerlas si salen a la superficies, pero a veces están actuando en el interior del talud y la única forma de sacarla al exterior es realizar pequeños sondeos de drenaje y conducirla donde menos perjudique. En definitiva se trata de aislar al máximo posible las zonas de trabajo, pero por uno u otros motivos es difícil eliminar toda esta agua, es entonces cuando se van conduciendo hacia el lugar mas bajo de la explotación al llamado fondo de mina y desde aquí bombear, dependiendo de la profundidad en una o varias etapas, a uno de los canales perimetrales que alejen el agua de la explotación.
  30. 30. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 8: Bomba de achique instalada en una plataforma construida al efecto.
  31. 31. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 En fondo de mina siempre va a existir una zona de acumulación de aguas, y de aquí se bombeará mediante bombas sumergible, resistentes al desgaste y de una capacidad adecuada para tratar de simplificar la instalación mediante varias bombas y a la vez se reduce el número de decantadores, por lo que será una bomba sumergible y de gran altura de elevación de hasta 180 metros (Figura 8). Es muy corriente que esta agua vertida sobre un canal o directamente con mangones se lleve a una balsa o depósito exterior, en el cual se produce una decantación de los materiales arrastrados, si es un arroyo donde está ubicada al llegar a un nivel seguirá su curso y si no se quedará como balsa integrada en el entorno pero que nos pueda servir para utilizarla en las diversas actuaciones posteriores, tanto para riego de pistas, incluso para alimentar plantas de áridos para su lavado, según sea la explotación.
  32. 32. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Agua en las minas Dentro de la zona emblemática por el gran número de explotaciones mineras que han existido a lo largo de los dos últimos siglos, se puede afirmar que ha sido la minería del carbón la que mas ha abundado y concretamente la minería de interior, ya que la minería a cielo abierto su aparición es de fecha muy reciente, hacia mediados de los años 70 del siglo XX, por lo tanto prácticamente los ejemplos mas relevantes los vamos a encontrar en minas subterráneas. En la minería subterránea y concretamente la minería energética, además de problema capital de crear la infraestructura necesaria para llegar al carbón y explotarlo con las dificultades que conlleva mantener ese hueco abierto, podemos sumar dos características que van a repercutir directamente en crear las dificultades para su explotación y son el fuego y el agua.
  33. 33. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Si analizamos una zona muy determinada y concreta, podemos apreciar que el agua ha sido un handicap importante en el desarrollo de estas explotaciones, aunque no sólo hay casos en esta zona ha habido en mas, algunas explotaciones que en su diseño y por el número de reservas a explotar se han quedado en proyectos inacabados, y otras mediante la constante lucha contra este elemento se ha conseguido explotar pero con muchas dificultades, aplicando muchos de los procedimientos que se han explicado anteriormente: desvío de cursos fluviales, sondeos de drenaje desde el exterior, etc, añadiendo exhaustivos estudios y cambios de planteamientos en los métodos de explotación que se barajaron en un principio. Es indudable que la base está en la geología de la zona, ya que las capas de carbón explotadas se encuentran situadas a techo de calizas, tras bancos de potencia variable de margas y arcillas carbonosas, y por encima, al techo de las capas de carbón se presentan alternancias de arcillas y arenas blancas con agua, en unas zonas las arenas entran en contacto directo con la capa de carbón y en otras hay intercalada un paquete de arcillas, pero el agua que contienen estas arenas está sometida a bastante presión (Figura 9).
  34. 34. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Figura 9: Corte Geológico
  35. 35. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Esta agua subterránea ha planteado múltiples problemas, y según en cada caso se han acometido con los medios técnicos que había en ese momento, se puede citar varios casos, y que eran unos proyectos muy ambicioso, ya que se iba a explotar una zona con una cantidad importante de reservas, en la profundización del pozo ya sabemos de los múltiples problemas que hubo en su ejecución hasta que al final se decidió abandonar, a continuación le siguieron otros proyectos que se convirtieron en realidades y que llegaron a funcionar, pero que al final por múltiples problemas y quizás el mas fuerte fuese el agua, se tuvo que cerrar cuando no eran esas los pensamientos de la empresa que la explotaba. En otras partes que igualmente tuvo que ser cerrada parece ser por el mismo motivo del agua, se tomó la decisión de desplazar los planos de entrada a la mina para explotar estos macizos alejándose de la zona anterior, pero igualmente en la profundización apareció el rico elemento y se tuvo que abandonar, posiblemente con el paso del tiempo y la aparición de nuevas técnicas, estos fracaso hubieran corrido seguramente otra suerte, mas positiva.
  36. 36. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Por el lado contrario ha habido explotaciones, que se han estado y se sigue luchando con el agua con todos los elementos para explotar y arrancar el máximo de reservas disponibles, actuando con todos los medios mecánicos y humanos al alcance, y como he comentado anteriormente no sólo es la irrupción del agua en las explotaciones, sino las presiones que genera sobre los terrenos situados por encima de las capas de carbón, indudablemente a lo largo de la vida de las explotaciones ha habido que ir abandonando unos métodos de trabajo por otros mas adecuados a las características del yacimiento, uno de las actuaciones fue el realizar varios sondeos piezometricos y a la vez varios pozos instalando bomba en el interior, todo ello con el objeto de variar el nivel freático de las aguas, aunque podemos decir que no se consiguió del todo. Por lo tanto la lucha continua para combatir las avenidas de agua ha sido constante y en momentos puntuales, de agobio, se ha tenido que desechar métodos de explotación que asegurarían en mejor grado la explotabilidad del yacimiento, incluso mejorar los resultados económicos de la empresa, pero se han tenido que desechar por los problemas que ocasionaban.
  37. 37. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El rol del agua en las operaciones mineras es muy decisivo. Para un proyecto minero el agua puede resultar ser una alternativa de abastecimiento, pero muchas veces se vuelve un problema en el proceso de extracción. En este capítulo trataremos el agua como un impedimento en nuestras operaciones para lo cual estudiaremos las formas como desaguar de mina, como instrumentos muy importantes tenemos las bombas, con las cuales extraeremos el agua de interior mina. Por lo tanto necesitamos tener un mayor conocimiento de los diferentes tipos de bombas desacuerdo con sus características, ya sea caudal, HPs, eficiencia, etc. Y de esto forma podremos determinar la maquinaria correcta para este trabajo En las minas a cielo abierto de la zona la lucha contra el agua ha sido manejada en mejor medida y aunque en algún momento puntual han originado algún cambio de estrategia de explotación no hay una constancia de que haya supuesto un gran problema en la explotación normal, eso si acometiendo en cada caso las medidas preventivas para mantener el agua alejada de las zonas de trabajo, si puede ser que en un momento puntual haya habido épocas de mas pluviometría y se ha podido retrasar la marcha normal de trabajo, por inundarse alguna zona concreta y haya que haber hecho alguna actuación extraordinaria.
  38. 38. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Para satisfacer las demandas de agua, la actividad minera muchas veces acude al agua subterránea. Contrariamente debido al exceso de agua subterránea en algunas minas se acude al drenaje para facilitar el minado, comúnmente esto es extraída por bombeo. Por acción del bombeo y desagüe de minas, se producen variaciones de los niveles freáticos, lo cual facilita tener más eficiencia en el proceso de minado, tan así que las bombas en minería se determinan como factores muy importantes y es por eso que tenemos que hacer un estudio muy detallado de las mismas. Las bombas son máquinas que crean el flujo en los medios líquidos (agua, lodos) es decir desplaza y aumenta la energía del líquido. Durante el funcionamiento de la bomba, la energía mecánica (recibida por un motor) se transforma en energía potencial y cinética, y en un grado insignificante, en calorífica, del flujo líquido. Su función es impulsar al agua ya sea a niveles superiores como hacia superficie, existen diferentes tipos de bombas como: De émbolo, De diafragma, Rotativas de placas, Rotativas de Engranajes, Rotativas Helicoidales, Centrífugas, Autocebantes, Axiales, De torbellino o Vortex, Bombas a Chorro para Líquidos RESUMEN
  39. 39. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 DESAGÜE DE MINAS TERMINOLOGÍA Agua Dulce.- Agua continental, por oposición a la del mar, y con más propiedad, agua potable, sea cual fuere su origen. Agua Potable.- Agua que por carecer de principios nocivos y no tener mal olor ni sabor, puede servir para la bebida y utilizarse en la elaboración de alimentos. Aforar.- Es calcular la capacidad de un recipiente o depósito. Es medir el caudal de una corriente de agua o la cantidad de líquido o de gas que pasa por una tubería. Caudal.- Gasto, cantidad de fluido líquido o gaseoso suministrado por un aparato durante la unidad de tiempo. Densidad.- Relación entre la masa de un cuerpo sólido o líquido y la masa de agua, a la temperatura de 4 °C, que ocupa el mismo volumen. Sin Unidad. El agua = 1. Desaguar, avenar.- Extraer el agua de un sitio. Vaciar el agua acumulada en un sitio. Freático.- Dícese de las aguas subterráneas cuando ningún estrato impermeable se interpone entre ellas y la superficie.
  40. 40. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Grifo, Llave, Válvula.- Dispositivo que se monta en las tuberías para abrir o cerrar el paso a un líquido o gas o para regular su gasto. Permeabilidad.- Propiedad de los terrenos que absorben o dejan pasar los líquidos y los gases. Pérdida de Carga.- Disminución de la presión de un fluido a lo largo de la canalización que lo aleja de su depósito. Las pérdidas de carga se deben al roce de las moléculas del fluido contra las paredes de las canalizaciones. Son agravadas por los codos, los empalmes defectuosos, las variaciones bruscas del diámetro de la tubería, etc. En una tubería lisa recta y uniforme, la pérdida de carga es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido e inversamente proporcional al diámetro de la vena.
  41. 41. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 ORIGEN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Las aguas subterráneas tienen como origen la filtración de aguas superficiales que penetran a través de estratos porosos y circulan lentamente, tanto en sentido lateral como descendente, hasta alcanzar la zona de equilibrio o de fuentes profundas. Las aguas de origen profundo ascienden hasta fluir en superficie o hasta alcanzar una superficie de equilibrio que detenga al movimiento ascensional. En las labores mineras realizadas por encima del nivel freático, las aguas no suelen encontrarse más que en forma esporádica e incidental, pero cuando las labores penetran por debajo del nivel freático, es posible contar con un movimiento general del agua hacia las labores. PROPIEDADES El poder corrosivo del agua tiene una gran importancia, puesto que influye en la selección de los materiales usados para bombas, tuberías, válvulas y accesorios; por tanto es importante analizar el grado de acidez o alcalinidad del agua.
  42. 42. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 TIPOS Según su origen, podemos tener hasta cuatro tipos de aguas subterráneas: Aguas de Infiltración.- En este caso las aguas subterráneas tienen como origen la filtración de las aguas meteóricas, controladas por cantidad de precipitaciones pluviales, por la existencia de nieves en las partes altas y a la filtración de aguas contenidas por los r¡os, lagos y lagunas aprovechando la existencia de fisuras en sus lechos. Aguas de Condensación.- Son las aguas subterráneas que son evaporadas en la profundidad debido a las altas temperaturas existentes, introduciéndose en los poros, diaclasas, fisuras, etc. en forma de vapor. Aguas Congénitas o Fósiles. -Son aguas que antiguamente eran marinas o lacustres que han quedado atrapadas dentro de Lacorteza terrestre en forma de bolsonadas, las cuales no se han evaporado, pasando a formar aguas subterráneas aprisionadas que no discurren.
  43. 43. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Aguas Magmáticas o Juveniles. -Su origen se atribuye a productos gaseosos que emanaron del magma durante su enfriamiento. Estos vapores al ponerse en contacto con temperaturas más bajas se condensan pasando al estado líquido para luego depositarse en las diferentes estructuras, grietas, etc. Las temperaturas relativamente altas y la presencia de componentes volátiles como el gas carbónico o compuestos de azufre en algunas zonas, corroboran en parte esta teoría. PERMEABILIDAD Las masas rocosas porosas o fisuradas son consideradas siempre como posibles depósitos de agua en profundidad. Las rocas del tipo pizarras arcillosas son prácticamente impermeables y pueden cerrar el paso a flujos ascendentes de agua; o si el agua está por encima de ellos, cerrar el paso a zonas más bajas.
  44. 44. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La mayoría de las rocas sedimentarias compactas y las rocas ígneas que contienen mucha agua son impermeables, salvo que estén fracturadas o fisuradas. Los materiales aluviales como arenas y gravas son porosas y permiten el movimiento libre de las aguas al igual que las calizas que son permeables. En las cadenas montañosas la distribución de las aguas subterráneas es errática y a veces se encuentran caudales insospechables en las labores mineras. LABORES DE DESAGÜE Cunetas de desagüe y diques Las cunetas deben tener cierta pendiente. Su sección debe ser tanto más grande cuanto mayor sea el caudal del agua, y el nivel del agua en la cuneta ha de estar por lo menos 10 centímetros por debajo del piso. Desvío de las Aguas e Impermeabilización del terreno Cuando la perforación de túneles tropieza con grandes caudales de aguas subterráneas, en ocasiones se llega a desviar el túnel para evitar el área peligrosa.
  45. 45. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Otro método consiste en cortar el paso a las aguas inyectando una lechada de cemento a través de sondajes perforados desde la galería, con ángulos variables, para cortar las vías de agua. Cuando se conoce la existencia de zonas acuíferas en las inmediaciones de las labores, el acceso se traza en lo posible de manera que se eviten dichas áreas; cuando se sabe de antemano que se han de cortar dichas zonas peligrosas, se preparan diques y compuertas resistentes a la presión, para dominar estos flujos. Por delante de los frentes se perforan taladros para determinar la posición de los cursos de agua. Desagüe con Vasijas Los pequeños caudales de agua que suelen encontrarse en las labores de prospección e investigación, se extraen frecuentemente por medio de vasijas. Se dejan acumular las aguas en las salientes del pozo y se dedica al desagüe una parte del tiempo de operación.
  46. 46. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Desagüe con Bombas Las aguas que se encuentran a nivel inferior a los drenajes por gravedad, se recoge en depósitos recolectores para luego ser evacuados por medio de bombas. Los puntos de drenaje se distribuyen en lugares convenientes y las cámaras de bombas se sitúan próximas a los pozos. Bombas auxiliares desagüan en canales que conducen las aguas a los depósitos colectores. Se utilizan canales y tuberías. En minas profundas las aguas se bombean por etapas que van de 150 a 600 metros y aún superiores a 900 metros. Grandes alturas de impulsión representan grandes presiones, que obligan a emplear bombas, as¡ como accesorios especiales. Reducir la altura de impulsión exige el uso de bombeo en serie. GOLPES DE AGUA En términos mineros se puede definir, a la fuerza con que brota un chorro de agua subterránea acumulada en bolsonadas.
  47. 47. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Este tipo de agua ofrece mayor peligro durante las excavaciones mineras, por lo que es necesario realizar sondeos a fin de tratar de descubrir la existencia de aguas subterráneas y calcular su caudal, la presión hidrostática que ejerce sobre las rocas encajonantes con la finalidad de minimizar los peligros de explosiones de agua, entre otros. PUERTAS ALTA PRESIÓN Con la finalidad de prevenir las grandes venidas de aguas subterráneas que podrían pasar los límites de capacidad de bombeo o inundar los niveles de drenaje de las minas, se diseñan Puertas de Seguridad que soportan altas presiones, las mismas que se instalan en lugares estratégicos. El objetivo es cerrar el paso a fuertes irrupciones de aguas y regular la salida. Estas puertas, se diseñan e instalan de modo que permitan el paso de las locomotoras. Pueden ser de accionamiento manual o mecánico y generalmente son de acero tanto el marco como la hoja, con tiras de jebe o material especial para lograr el hermetismo entre el marco y la hoja. Cuando se prevé fuertes presiones, se emplean puertas de acero fundido de sección ovalada y con nervaduras de refuerzo.
  48. 48. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 La instalación de estas puertas es con concreto, sin descuidar las tuberías para el transporte de aire, agua, electricidad, etc. BOMBAS Son máquinas que crean el flujo en los medios líquidos (agua, lodos) es decir desplaza y aumenta la energía del líquido. Durante el funcionamiento de la bomba, la energía mecánica (recibida por un motor) se transforma en energía potencial y cinética, y en un grado insignificante, en calorífica, del flujo líquido. CLASIFICACIÓN Conceptos actuales y basados en normas técnicas, dividen a las bombas en 2 clases principales:
  49. 49. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Volumétricas: Embolo Simple acción Doble acción Diafragma Rotativas De placas Helicoidales Dinámicas: Centrífugas Autocebantes Axiales De torbellino o Vortex Además, se incluyen las bombas a Chorro de Agua y los Elevadores Neumáticos.
  50. 50. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 DESCRIPCIÓN De émbolo Son aquellas que tienen un pistón dentro de un cilindro que corre a lo largo de su eje, expulsa el agua por delante y aspira la carga por detrás, al mismo tiempo que la carrera. Al efecto de expulsión de agua y al mismo tiempo de aspiración de carga, se llama Bomba de Doble Acción o Efecto. Si la bomba tiene dos o tres cilindros en paralelo montados unos al lado de otros, se le llama DUPLEX, TRIPLEX, etc. De diafragma La parte central del diafragma flexible se levanta y se baja por medio de una biela, que está conectada a una excéntrica. Esta acción absorbe el agua a la bomba y la expulsa. Debido a que esta bomba puede manejar agua limpia o agua conteniendo grandes cantidades de lodo, arena y basura, es popular como bomba de construcción.
  51. 51. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Es adecuada para usarse en obras donde la cantidad de agua varía considerablemente. El diafragma, que es muy accesible, puede cambiarse rápidamente Rotativas de placas El rotor macizo con ranuras longitudinales y placas rectangulares que son empujadas hacia la periferia por las propias fuerzas centrífugas, son colocados excéntricamente en el cuerpo. Al girar el rotor, el líquido se aspira a través del tubo de alimentación a la cavidad interior, siendo expulsado por el tubo de impulsión. La bomba es reversible. La frecuencia de rotación es considerable. Pueden contar con mayor número de placas rectangulares. Rotativas de Engranajes Las dos RUEDAS DENTADAS que engranan, cuentan con pequeñas holguras en el CUERPO. Una de las ruedas (la conductora) va dotada de un eje que sale del cuerpo; la otra rueda (la conducida) es libre.
  52. 52. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Al girar las ruedas en la dirección indicada, el líquido de la CAVIDAD DE ASPIRACION llega a las cavidades entre los dientes y se desplaza a la CAVIDAD DE IMPULSION. Rotativas Helicoidales En el CUERPO CILINDRICO se ha colocado compactamente el TORNILLO, al lado de la PLACA que separa los canales entre las ESPIRAS del tornillo y los tapan herméticamente. Al girar el tornillo, el líquido encerrado en los canales entre espiras, se retiene en los dientes de la placa y se desplaza en dirección axial. De esta manera se realiza la ASPIRACION y la ALIMENTACION. Centrífugas Son aquellas que aprovechan el movimiento rotacional del eje. Pueden impulsar líquidos densos tales como relaves.
  53. 53. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Están provistos de rodetes ya sea abiertos o cerrados, de acero y recubiertos de jebe prensado con fines de prevención a la fricción y la abrasión de partículas. Las PALETAS de trabajo están unidas rígidamente con los DISCOS o al EJE DE ROTACION, que trasmite la fuerza motriz de rotación . Bajo la acción de las fuerzas centrífugas, el líquido aumenta su energía, se dirige al CANAL ESPIRAL y luego a la TUBERIA DE PRESION. A través del ORIFICIO DE ADMISION (simple o doble) se aspira continuamente el líquido, perpendicularmente a la tubería de presión. Autocebantes Las bombas centrífugas más comunes instaladas en las plantas de bombeo de agua potable y de aguas negras, se colocan debajo del nivel del agua. Sin embargo, en las obras de construcción las bombas con frecuencia tienen que colocarse arriba del nivel del agua que se va a bombear. En consecuencia, las bombas centrífugas Autocebantes son más adecuadas.
  54. 54. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Cuentan con una válvula check en el lado de succión de la bomba que permite que la cámara se llene de agua antes de iniciar la operación de bombeo. Cuando se pone a trabajar la bomba, el agua de la cámara produce un sello que le permite a la bomba absorber aire del tubo de succión. Cuando se detiene el funcionamiento de la bomba, retiene su carga de agua para el cebado indefinidamente. Axiales Las bombas axiales de gran caudal se fabrican con disposición vertical del árbol. Pueden ser de una o más etapas. El CUERPO con el DISPOSITIVO GUIA va adosado sobre el BASTIDOR y la BANCADA. En el torneado cónico del extremo inferior del árbol se encaja el CUBO de la rueda de trabajo, que se fija con la ayuda de una chaveta y tuerca y gira a través de un COJINETE INFERIOR. Las paletas pueden ser sujetadas rígidamente (fijas) o pueden ser giratorias.
  55. 55. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 De torbellino o Vortex Dentro de la carcasa (cuerpo de la bomba) se dispone concéntricamente la Rueda de Trabajo (Impulsor de Torbellino); al funcionar la bomba, el líquido es atraído por el Impulsor para salir por la Tubería de Impulsión. La entrada del líquido se realiza en la periferia del Impulsor. Bombas a Chorro para Líquidos El flujo de líquido operante, que porta energía, pasa por el Tubo de Impulsión (1) que al estrangularse aumenta la velocidad del flujo y por lo mismo aumenta la energía cinética. Conforme a la Ley de Conservación de la Energía, el aumento de la energía cinética condiciona la disminución de la presión a la salida del Tubo de Impulsión y por consiguiente en la Cámara (2) que se comunica mediante otro tubo inferior al Depósito de Agua (3) bajo la influencia de la diferencia de presiones, la atmosférica al nivel del agua del Depósito (3) y el líquido sube a la Cámara (2), donde es arrastrado por el chorro de trabajo del líquido operante; se mezcla con é, llega al Tubo Divergente (4) y luego por la Tubería al Tanque superior a la altura h.
  56. 56. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 El rendimiento no es muy alto, pero la simpleza de su estructura y la ausencia de piezas movibles contribuyen a su aplicación en distintas instalaciones industriales. Elevadores Neumáticos El medio operante es aire comprimido. La elevación del líquido al Depósito (1) a la altura del Tanque (2) se efectúa por el aire comprimido que ingresa a la Botella (3): Estando cerrada la válvula de aire comprimido del Depósito de Agua (1), se llena de agua la Botella (3). Se cierra la válvula de agua del Depósito (1) y se abren las válvulas de aire comprimido y de la Botella (3); el líquido se expulsa al Tanque (2). El ciclo de alimentación se realiza periódicamente.
  57. 57. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 CÁLCULOS DE BOMBAS Cálculos de Caudal Se obtiene aplicando La siguiente fórmula: Q = (N * π * r2 * l * f)/231 Donde: Q = Caudal; GPM N = Carreras/ciclo * ciclos/min Ciclo: Ida y vuelta del pistón (2 carreras/ciclo) Ciclo/min: Número de carreras/min Denominado también RPM
  58. 58. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Carrera/ciclo de trabajo efectivo: o 1/ciclo, Simple Acción o 2/ciclo, Doble Acción o 4/ciclo, Doble Acción Dúplex o 6/ciclo, Doble Acción Triplex r = Radio del cilindro; pulg l = Longitud de carrera del pistón; pulg f = Reducción por fugas en válvulas o pistones Generalmente 0.95 a 0.97, salvo datos expresos 231 = Constante para reducir pulg3 a galones
  59. 59. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Cálculos de Potencia Requeridos Se calcula aplicando las siguientes fórmulas: E = (w * Q * h) Dónde: E = Energía; pie-lb/min w = Peso del agua; lb/gln h = Carga total de bombeo desde el espejo de agua hasta la descarga o Pérdida Total, incluyendo la pérdida por fricción en el tubo; pie. e = Eficiencia de la bomba, expresada en forma decimal HP = E/33,000 * e
  60. 60. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Dónde: HP = Potencia requerida para operar la bomba 33,000 = Constante para transformar pie-lb/min a HP Ejercicio 1 Cuál será el caudal de una bomba de pistón de las siguientes características? Bomba de Doble acción Dúplex Diámetro del cilindro, 6 pulg Longitud de carrera, 12 pulg Reducción por fugas = 0.96 Ciclo/min ó RPM, 90. Solución Q = (4 * 90) * ã * 32 * 12 * 0.96 / 231 Q = 508 GPM
  61. 61. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Ejercicio 2 Si la carga total es 160 pies, el caudal es de 508 GPM, la eficiencia de la bomba es de 60 % y el peso del agua es de 8.34 lb/gln, hallar la Potencia mínima que se requerirá para operar la bomba. Solución E = 8.34 * 508 * 160 E = 677,875 pie-lb/min HP = 677,875/33,000 * 0.6 = 34.24 HP Ejercicio 3 Una bomba de desagüe debe llevar 2.2 m3/min de agua de mina, de peso 1,040 kg/m3, a una altura de 65 m. La eficiencia de la bomba es 74 %. Hallar la Potencia.
  62. 62. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Solución Q = 2.2 m3/min * 264.18 gln/m3 = 581 GPM w = 1,040 kg/m3 * 2.2046 lb/kg/264.18 gln/m3 = 8.68 lb/gl h = 65 m * 3.28 pie/m = 213 pie HP = 8.68 * 581 * 213/33,000 * 0.74 = 44 HP Ejercicio 4 Una bomba Dúplex de doble acción de 5 pulg. De diámetro y 10 pulg. de longitud del cilindro, está impulsado por un cigüeñal que da 120 RPM ( ciclo/min ) Si las fugas de agua son de 15 %, cuántos galones por minuto puede entregar la bomba? Si el peso del agua es de 8.34 lb/gln, la carga total es de 120 pies y la eficiencia de la bomba es de 60 % ¿Cuál será la potencia mínima requerida?
  63. 63. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Solución Q = (4 * 120) * ã * (25)2 * 10 * 0.85/231 = 346.8 GPM HP = w * Q * h/33,000 * e = 8.34 * 346.8 * 120/33, 000 * 0.60 = 17.53 HP. Cálculos para el diseño de bombas 1.- Alturas de Carga Estática Carga estática total (cet) Llamado también Presión estática, está dada por la diferencia de elevación entre el espejo de agua y la descarga. Carga estática de succión (ces) Llamada también Carga Estática de Aspiración, es la diferencia de nivel entre el eje de la bomba y el espejo de agua. Puede ser: Positiva, cuando el espejo de agua está sobre la bomba. Negativa, cuando el espejo de agua está debajo de la bomba.
  64. 64. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Carga estática de descarga (ced) Llamada también Carga Estática de Impulsión, es la diferencia de nivel entre el eje de la bomba y el punto de descarga. 2.- Pérdida por velocidad (Pv) O presión de Velocidad, o Pérdida de altura por Velocidad, es el equivalente de presión requerida para acelerar el flujo de agua y está dada por la siguiente fórmula: Pv = w * V2/2g; pies Dónde: w = Densidad del líquido. En el caso de agua, es 1, sin unidad V = Velocidad del flujo; pie/seg g = Gravedad = 32.2 pie/seg*seg La velocidad debe permanecer entre 4 y 10 pie/seg a fin de evitar pérdidas demasiadas elevadas.
  65. 65. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 3.- Pérdida por fricción (Pf) Es la presión necesaria para vencer la resistencia de fricción del líquido con la tubería y accesorios. Se puede calcular con la fórmula de William HANZENS: Pf = ((147.85 * Q)/(C * D2.63))1.852 ; pies Dónde: Q = Caudal o gasto; Gal/min (GPM) C = Constante de fricción para tuberías 100 de uso generalizado (15 a más años de uso) 90 para tuberías de 25 a más años de uso 120 para tuberías de 15 a menos años de uso D = Diámetro interior de las tuberías; pulg
  66. 66. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 4.- Pérdida total (PT) O Carga Dinámica, constituido por la sumatoria de: Cet + Pv + Pf; pies 5.- Potencia del motor (HP) Es el número de HP requeridos para bombear determinado caudal de fluido. Se usa la fórmula: HP = PT * Q * W/33,000 * e Dónde: PT = Pérdida total; pies Q = Caudal o gasto del fluido; GPMW = Peso específico del fluido = 8.33 lb/gln (agua) 33,000 = Constante para transformar a HP (1 HP = 33,000 pie-lb/min) e = Eficiencia del motor; %
  67. 67. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Ejercicio 5 Calcular la capacidad y la potencia de una bomba para desaguar un pique con las siguientes características: 100 m de profundidad 12 hora/día de trabajo de la bomba 100 GPM de caudal permanente, trabajando 24 horas/día 60 % eficiencia del motor 371 pies de Carga Estática Total 3 pulg Diámetro de tubería 100 Constante de fricción para tubería 8 pie/seg velocidad del flujo 1 densidad del líquido (sin unidad) 8.33 lb/gln peso específico del fluido
  68. 68. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Solución Capacidad para 12 horas: = (100 GPM * 60 min * 24 hora)/(12 hora * 60 min = 200 GPM Pf = ((147.85 * 200)/(100 * 32.63)) 1.852 = 178.68 pies Pv = 1 * 82/2 * 32.2 = 0.99 pies PT = 371 + 178.68 + 0.99 = 550.67 pies HP = 550.67 * 200 * 8.33/33,000 * 0.6 = 46.33 La Capacidad real de la bomba será de 200 GPM. La potencia de 46.33 HP Ejercicio 6 Se desea bombear el agua desde el nivel 650 a superficie. El caudal aforado es de 350 GPM; la bomba deberá trabajar sólo 10 horas/día, por razones operacionales. Hallar el caudal de bombeo.
  69. 69. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Solución Q para 24 horas = 350 GPM * 60 min/hora * 24 hora/día = 504,000 gal/día Q para 10 horas = 504,000 gal/día/ (10 hora/día * 60 min/hora = 840 GPM Ejercicio 7 El Pique Nueva Esperanza bombeará agua con un caudal de 5 lt/seg y velocidad de 4 pie/seg; el diámetro de la tubería es de 2 pulg. Hallar la Potencia requerida, si la eficiencia es de 75 %. Solución Carga estática de succión (ces) = 9 pies Carga estática de descarga (ced) = 230 * sen 54° = 186.10 pies Carga estática total (cet) = 9 + 186.10 = 195.10 pies Pv = 1 * 42/2 * 32.2 = 0.25 pies Q =(5 lt/seg * 60 seg/min)/(3.785 lt/gln) = 79.26 GPM Pf = ((147.85 * 79.26)/(100 * 22.63))1.852= 231.91 pies
  70. 70. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 PT = 195.10 + 0.25 + 231.91 = 427.26 pies HP = (427.26 * 79.26 * 8.33)/(33,000 * 0.75) = 11.40 HP Ejercicio 8 Hallar los caudales de transporte de agua para tubos de 1, 3 y 6 pulgadas de diámetro si las velocidades son 60, 30 y 15 pie/seg respectivamente. De igual modo, hallar las potencias requeridas para sus bombas, para un pique inclinado, de acuerdo al diseño. Considerar la eficiencia 80 % en los tres casos. Solución Q = A * V Dónde: Q = Caudal o gasto; pie3/min (CFM) A = Área de la sección; pie2 V = Velocidad del flujo; pie/min
  71. 71. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Para tuberia de 1" de diâmetro Q =(π * 0.52 pulg2/143.04 pulg2/pie2) * 60 pie/seg * 60 seg/min Q = 19.77 pie3/min Q = 19.77 pie3/min * 7.48 gln/pie3 Q = 147.86 GPM ces = 9 pies ced = 300 pie * sen 60° = 260 pies cet = 9 pies + 260 pies = 269 pies Pv = w * V2/2g = 1 * 602/2 * 32.2 = 55.90 pies Pf = ((147.85 * Q)/(C * D2.63))1.852 Pf = ((147.85 * 147.86)/(100 * 12.63))1.852 = 21,531.42 pies PT = 269 + 55.90 + 21,531.42 = 21,856.32 pies HP = PT * Q * W/33,000 * e HP = (21,856.32 * 147.86 * 8.33)/ (33,000 * 0.80) = 1,020 HP
  72. 72. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Para tubería de 3" de diámetro Q = π * 1.52 * 30 * 60/143.04 = 88.95 pie3/min Q = 88.95 * 7.48 = 665.35 GPMcet = 269 pies Pv = 1 * 302/2 * 32.2 = 13.98 pies Pf = ((147.85 * 665.35)/(100 * 32.63))1.852= 1,655.22 pies PT = 269 + 13.98 + 1,655.22 = 1,938.20 pies HP = 1,938.20 * 665.35 * 8.33/33,000 * 0.80 = 407 HP Para tubería de 6" de diámetro Q = (π * 32 * 15 * 60 * 7.48)/143.04 = 1,330.70 GPM CET = 269 pies PV = 1 * 152/2 * 32.2 = 3.50 pies Pf = ((147.85 * 1,330.70)/(100 * 62.63))1.852= 204.23 pies PT = 269 + 3.50 + 204.23 = 476.73 pies HP = (476.73 * 1,330.70 * 8.33)/(33,000 * 0.80) = 200 HP
  73. 73. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Ejercicio 9 Se desea desaguar un Pique de sección circular de 3 metros de diámetro y de 60 metros de profundidad, totalmente acumulado con agua de filtración cuyo caudal permanente es de 1.60 metros cúbicos por hora. La bomba a utilizar es de una capacidad de 3 metros cúbicos por hora y trabajará las 24 horas y los 7 días de la semana. Calcular el tiempo de bombeo y el volumen total a desaguar. Solución Vol. agua acum. = π * 1.52 * 60 m = 424.12 m3 Como el volumen de la bomba es de 3 m3/hora y el caudal de filtración es de 1.60 m3/hora, quiere decir que teóricamente la bomba desaguará: 1.40 m3/hora del agua acumulada
  74. 74. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 Luego, el TIEMPO que demorará en desaguar el pique será de: 424.12 m3/1.40 m3/hora = 302.94 horas del agua acumulada y de filtración. 302.94 horas/24 hora/día = 12.62 días El VOLUMEN total a desaguar en ese tiempo será de: Acumulado 424.12 m3 Filtración 1.60 m3/hora * 302.94 hora = 484.70 m3 TOTAL 908.82 m3
  75. 75. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253 CONCLUSIONES Por los estudios realizados concluimos que el estudio de bombas es muy amplio y muy complejo, a la vez es muy interesante pues del estudio de estos podemos obtener una mayor eficiencia en nuestras operaciones, y a su vez podemos economizar costos. SUGERENCIAS Una solución total para desagüe es importante. Se deben analizar exhaustivamente los requisitos para el desagüe de minas antes de seleccionar el diseño del equipo de bombeo, ya sea en la mina o debajo de la superficie. Se comprende que cumplir con los requisitos de entrada de flujo de agua del sitio es fundamental, pero también es importante analizar el plano de la mina, el rango de profundidades de operación y trabajar con los sistemas de tuberías existentes para garantizar que el equipo se adapte a las necesidades específicas de la mina en operación.
  76. 76. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253
  77. 77. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253
  78. 78. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253
  79. 79. Calle Puma #512, Col. Lomas de Echeveste, León, Guanajuato. C.p.37208, Tel. (477) 104-2253
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