Diseño de un sistema de ventilación en una galería minera y prevención de los riesgos laborales asociados

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR TRABAJO FIN DE MASTER UNIVERSITARIO EN SEGURIDAD INTEGRAL EN LA INDUSTRIA Y PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS Autor: Antonio Francos Araque Tutora: María Jesús Ávila Gutiérrez Departamento: Ingeniería del Diseño Sevilla, 2024 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 2 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR AGRADECIMIENTOS Debo reconocer que este trabajo no habría podido realizarse si no hubiese podido contar con la ayuda de muchas personas que de una manera u otra me han aportado tanto, por lo que de antemano quiero manifestar mi sincero agradecimiento a todos ellos. Seguro que de alguno me voy a olvidar, espero que sabrá disculparme. Durante estos años he tenido la oportunidad de conocer algunas personas que sin duda son extraordinarias por su bondad, por su sabiduría, … no les olvido. Intento no dejar de aprender de todos ellos, para ser mejor. Voy a mencionar en primer lugar la ayuda recibida de mi tutora María Jesús, que a pesar de lo estrecho de las fechas me ha aportado la necesaria revisión y consejos para que este documento sea presentable. Deseo agradecer a mis profesores y compañeros del máster y a mis colegas en el trabajo, por la convivencia cotidiana, por animarme siempre y ayudarme a enfocar en los tiempos difíciles. Quiero destacar su cooperación a Brayan PT, a Alejandro RB, a Fran FB, a Javi LlC, a José BR, por su amistad y por su tiempo. Habéis sido un ejemplo para inspirarme y motivarme. Se me quedan cortas las palabras para agradecer a Cipriano López, de Zitron, su ayuda y su talante acogedor y siempre positivo. Sin ti no habría cálculos en este trabajo y aprecio sinceramente todo lo que he aprendido contigo. Gracias. Finalmente voy a aprovechar, ya que no lo hice, me parece, cuando presenté mi proyecto fin de carrera en la ETSI Minas de Madrid en diciembre de 1993. No recordé entonces a mi familia, voy a aprovechar ahora, que treinta años después soy mucho más consciente de todo lo que me han dado, que es… todo. Y en particular a Carmen mi amor, esposa y compañera de vida, que a veces me disfruta pero otras cuantas me soporta y con amor, paciencia y comprensión, consigue que me sienta tan feliz y con ganas de que este sueño juntos no encuentre un final. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 3 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 4 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Sumario LISTA DE ABREVIATURAS...............................................................................................................13 RESUMEN EJECUTIVO...................................................................................................................14 1. Características geológicas y estructurales de la galería minera.........................................14 2. Estado del arte de la ventilación en minería.......................................................................15 3. Riesgos laborales en minería subterránea..........................................................................15 4. Cálculo de necesidades de ventilación y configuración del sistema..................................16 5. Requerimientos legales........................................................................................................16 6. Diseño del sistema de ventilación.......................................................................................16 7. Análisis de gases, humos y polvos.......................................................................................17 8. Medidas de prevención y protección...................................................................................17 9. Análisis económico...............................................................................................................17 10. Conclusiones y recomendaciones.....................................................................................17 ABSTRACT......................................................................................................................................18 1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................20 1.1. LA MINERÍA A LO LARGO DE LA HISTORIA.........................................................................20 1.1.1. Nacimiento de la minería en la Antigüedad.............................................................20 1.1.2. Avances técnicos y su impacto en la sociedad.........................................................21 1.1.3. Problemas medioambientales y sociales a lo largo del tiempo..............................21 1.1.4. Contribución de la minería a la Revolución Industrial.............................................22 1.1.5. Reconversión industrial en Europa y el papel estratégico de la minería en la actualidad............................................................................................................................23 1.1.6. Políticas de la UE sobre materias primas críticas (CRMs).........................................24 1.2. PREVENCIÓN DE RIESGOS EN EL SECTOR MINERO..........................................................24 1.2.1. Ausencia de prevención de riesgos en la Antigüedad..............................................25 1.2.2. Primeros avances hacia la protección laboral..........................................................26 1.2.3. Evolución durante el siglo XX: Legislación y sensibilización....................................27 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 5 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.2.4. Supervisión en países emergentes y en vías de desarrollo......................................28 1.2.5. Desafíos actuales: Minería ilegal y condiciones irregulares.....................................28 1.2.6. Conclusión: Un compromiso global con la PRL en la minería.................................29 1.3. NORMATIVA APLICABLE.....................................................................................................29 1.3.1 Jerarquía normativa...................................................................................................29 1.3.2. Normativa minera en España....................................................................................30 Ley de Minas de 1849......................................................................................................30 Reglamento de Minas de 1868........................................................................................31 Ley de Minas de 1944......................................................................................................31 Ley de Minas de 1973......................................................................................................31 Ley de Fomento de la Minería de 1978...........................................................................31 Ley de Minas de 1980......................................................................................................31 Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera de 1985......................31 1.3.3. Normativa de prevención de riesgos laborales (PRL)...............................................32 Antecedentes en España y la UE.....................................................................................32 Ley de Prevención de Riesgos Laborales (LPRL) de 1995..............................................32 Reglamento de los Servicios de Prevención (Real Decreto 39/1997)............................32 Directiva Europea sobre Seguridad Minera (92/104/CEE).............................................32 Real Decreto 863/1985 (RGNBSM, antes mencionado).................................................32 Reglamento sobre Equipos de Protección Individual (RD 773/1997)...........................33 Instrucciones Técnicas Complementarias (ITCs)...........................................................33 1.3.4. Conclusión sobre la normativa en minería y PRL.....................................................33 1.4. EL ESTÁNDAR ACTUAL DE SEGURIDAD Y SALUD...............................................................33 1.4.1 Cuerpo legislativo y recursos de las administraciones públicas...............................34 1.4.2. Responsabilidad corporativa y medidas de prevención..........................................34 Jerarquía de control........................................................................................................34 1.4.3. Evolución de la siniestralidad en el sector minero...................................................36 1.4.4. Conclusión..................................................................................................................38 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 6 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 2. OBJETIVOS DEL PRESENTE TRABAJO......................................................................................39 3. ANÁLISIS DE GASES, HUMOS Y POLVOS....................................................................................41 3.1. GASES TÓXICOS Y SU CONTROL EN LAS MINAS................................................................41 3.1.1. Gases tóxicos..............................................................................................................41 3.1.2. Control de gases tóxicos............................................................................................42 3.2. POLVOS RESPIRABLES Y EXPLOSIVOS...............................................................................42 3.2.1. Tipos de polvo............................................................................................................43 3.2.2. Prevención y control del polvo..................................................................................43 3.3. GASES INFLAMABLES.........................................................................................................43 3.4. PARTÍCULAS PROCEDENTES DE MOTORES DIESEL..........................................................45 4. NECESIDADES DE VENTILACIÓN EN MINAS..............................................................................48 4.1. PARÁMETROS FUNDAMENTALES.......................................................................................48 4.2. CÁLCULO DEL CAUDAL DE AIRE NECESARIO.....................................................................49 4.3. NORMATIVA DE VENTILACIÓN...........................................................................................50 4.4. VENTILACIÓN PRINCIPAL Y AUXILIAR................................................................................51 4.4.1. Definiciones................................................................................................................51 4.4.2. Métodos de ventilación.............................................................................................51 4.4.3 Curva de funcionamiento...........................................................................................52 5. DISEÑO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN...................................................................................54 5.1. SELECCIÓN Y DISPOSICIÓN DE VENTILADORES...............................................................54 5.1.1. Tipo y parámetros de los ventiladores......................................................................54 5.1.2. Disposición de los ventiladores.................................................................................55 5.2. DISTRIBUCIÓN DE LA CORRIENTE DE AIRE.......................................................................56 5.2.1. Principios de circulación del aire..............................................................................56 5.2.2. Corrientes principales y secundarias........................................................................56 5.3. INSTALACIÓN DE VENTILADORES......................................................................................57 5.3.1. Ventiladores principales............................................................................................57 Ubicación.........................................................................................................................57 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 7 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Paradas y restablecimiento............................................................................................58 5.3.2. Ventiladores auxiliares...............................................................................................58 Instalación y disposición................................................................................................58 Control de funcionamiento............................................................................................59 5.4. DETECCIÓN Y CONTROL DE GASES...................................................................................59 5.4.1. Sistemas de detección automáticos.........................................................................60 5.4.2. Alarmas y medidas preventivas.................................................................................60 5.4.3. Control manual y procedimientos de emergencia...................................................60 5.5. MODELIZACIÓN DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN..............................................................60 5.5.1. Métodos de simulación..............................................................................................61 5.5.2. Optimización del sistema..........................................................................................64 5.5.3. Simulación de escenarios críticos.............................................................................65 6. APLICACIÓN A UN CASO PRÁCTICO...........................................................................................66 6.1. DATOS DE PROYECTO.........................................................................................................66 6.2. ESCENARIOS ALTERNATIVOS.............................................................................................67 6.2.1. Escenario 1.................................................................................................................67 6.2.2. Escenario 2.................................................................................................................68 6.2.3. Escenario 3.................................................................................................................69 6.2.5. Establecimiento del caudal de diseño......................................................................70 6.3. DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE VENTILACIÓN....................................................................70 6.3.1. Escenario 1.................................................................................................................70 6.3.2. Escenario 2.................................................................................................................71 6.3.3. Escenario 3.................................................................................................................71 7. ANÁLISIS ECONÓMICO...............................................................................................................72 7.1. COMPARATIVA DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS...........................................................72 7.1.1. Ventiladores axiales vs. Ventiladores centrífugos....................................................72 7.1.2. Sistemas de ventilación natural vs. ventilación forzada..........................................73 7.1.3. Sistemas de control automático vs. manual.............................................................73 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 8 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7.2. COSTES DE IMPLEMENTACIÓN..........................................................................................74 7.2.1. Costes de Capital (CapEx)..........................................................................................74 7.2.2. Costes de Operación (OpEx)......................................................................................75 Coste energético.............................................................................................................75 Mantenimiento................................................................................................................75 7.2.3. Análisis de retorno de inversión (ROI).......................................................................75 7.3. OPTIMIZACIÓN DE RECURSOS...........................................................................................75 7.3.1. Automatización del sistema de ventilación..............................................................76 7.3.2. Mantenimiento predictivo.........................................................................................76 7.3.3. Optimización energética............................................................................................77 7.3.4. Uso eficiente del personal.........................................................................................77 7.3.5. Coste-beneficio de la optimización...........................................................................77 7.4. BENEFICIO ASOCIADO A MEJORAR LA SEGURIDAD Y LA EFECTIVIDAD............................78 7.4.1 Beneficios en seguridad..............................................................................................78 Reducción de riesgos laborales......................................................................................78 Preparación para emergencias.......................................................................................78 Cumplimiento normativo...............................................................................................78 7.4.2. Beneficios en productividad......................................................................................79 Incremento de la eficiencia operativa............................................................................79 Disminución de costos operativos.................................................................................79 Menores tasas de absentismo laboral............................................................................79 7.4.3. Retorno económico de la mejora en seguridad y productividad.............................79 7.5. APLICACIÓN A LAS ALTERNATIVAS CONSIDERADAS.........................................................80 7.5.1. OpEx............................................................................................................................80 Costes operativos de instalación y mantenimiento......................................................80 Costes operativos por consumo eléctrico......................................................................81 7.5.2. Resumen costes OpEx................................................................................................83 7.5.3. Costes de capital (CapEx)...........................................................................................83 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 9 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 4. Cálculo de necesidades de ventilación y configuración del sistema El cálculo del caudal de aire necesario en una mina subterránea depende de varios factores, como el número de trabajadores, el uso de maquinaria diésel y la presencia de gases peligrosos. La normativa española especifica que el caudal mínimo de aire debe ser de 40 litros por segundo por persona. Para determinar el caudal necesario, es fundamental analizar los consumos de aire de los equipos y la carga térmica generada en las operaciones. Además, se deben considerar las posibles fuentes de calor, como la maquinaria y los procesos de extracción, que pueden incrementar la temperatura del ambiente. Se han elaborado tres alternativas para el sistema de ventilación, realizando un estudio comparativo y eligiendo la que supone el mayor requerimiento de caudal. A partir de dicho caudal se han realizado tres diseños del sistema, con diferentes diámetros de tubería, evaluando los mejores ventiladores para cada caso y en función de cada uno de los elementos, se ha evaluado el coste de su implantación y su operación. 5. Requerimientos legales El Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera (RGNBSM) y las Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC) regulan las especificaciones para garantizar la seguridad en las minas, como entre otras, la ITC 05.0.02 que establece límites en la concentración de gases peligrosos, y la ITC 04.7.01, que detalla los requisitos para la circulación de aire en galerías y pozos. En cuanto a la normativa específica en prevención, la Ley de Prevención de Riesgos Laborales 31/1995 y las normas derivadas de la misma, son de obligatoria aplicación. 6. Diseño del sistema de ventilación El diseño del sistema de ventilación debe garantizar que el aire fresco llegue a todos los puntos de la mina, mientras que el aire viciado sea expulsado de manera efectiva. Para ello, se usan ventiladores principales situados en la entrada y ventiladores secundarios en las galerías, distribuyendo el aire de manera uniforme. Los ventiladores deben ser capaces de manejar el volumen de aire calculado y adaptarse a las necesidades cambiantes de la mina. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 16 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7. Análisis de gases, humos y polvos El análisis de gases es una parte fundamental de cualquier sistema de ventilación. En minas con riesgo de explosión, es obligatorio realizar mediciones regulares de metano, monóxido de carbono y otros gases peligrosos. Además, es importante controlar el polvo generado por la perforación y las explosiones, ya que puede causar problemas respiratorios graves. 8. Medidas de prevención y protección Las medidas preventivas incluyen el monitoreo continuo de gases y la implementación de planes de emergencia en caso de fallos en el sistema de ventilación. La minimización del riesgo, o de la exposición al mismo, así como las medidas de ingeniería y organización adecuadas, así como el uso de equipos de protección individual (EPIs) como respiradores, junto con la formación regular de los trabajadores en técnicas de evacuación, son esenciales para garantizar la seguridad en este tipo de emplazamiento. 9. Análisis económico El diseño y la implementación de un sistema de ventilación efectivo requieren una inversión significativa, pero los beneficios en términos de seguridad y eficiencia superan los costos iniciales. La selección de ventiladores eficientes, el control adecuado de los consumos energéticos, y la optimización del flujo de aire pueden generar ahorros a largo plazo. En el presente caso se ha analizado comparativamente los costes de capital y de operación para las tres alternativas diseñadas. 10. Conclusiones y recomendaciones Un sistema de ventilación bien diseñado no solo garantiza la seguridad de los trabajadores, sino que también mejora la eficiencia operativa. Se recomienda la implementación de sistemas de control automático para la detección de gases y la optimización continua del caudal de aire para adaptarse a las condiciones cambiantes de la mina. Asimismo, se hace hincapié en la necesidad de formar adecuadamente a los trabajadores e implantar la jerarquía de control en materia de riesgos laborales. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 17 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR ABSTRACT The history of mining spans millennia, evolving from primitive extraction techniques used by ancient civilizations to the highly complex and technologically advanced operations of today. From the mining of precious metals in ancient Egypt and Mesopotamia to the large-scale mineral extraction that fueled the Industrial Revolution, mining has always played a critical role in the development of human societies. Its contributions have shaped economic, technological, and social progress throughout history. However, this growth has often been accompanied by significant environmental and safety challenges, particularly in the context of underground mining. In light of this historical perspective, this technical report addresses the design of an effective ventilation system in underground mining operations is crucial to ensuring the safety and well-being of miners while maintaining operational efficiency. This technical report focuses on the development and optimization of a ventilation system for a mining gallery, taking into consideration both the geological characteristics and the specific structural requirements of the underground environment. The report highlights the importance of proper air circulation in mining operations, addressing key challenges such as gas accumulation, dust control, and energy efficiency. The research presented delves into modern ventilation techniques, including the use of primary and secondary fans to manage airflow, and emphasizes the need for continuous monitoring of gas levels, including methane and carbon monoxide. Additionally, the report explores the legal frameworks governing mining ventilation in Spain, particularly those aimed at preventing occupational hazards in subterranean environments. One of the core components of this report is the economic analysis of ventilation system implementation. It compares different technological alternatives, such as axial versus centrifugal fans, and evaluates the long-term cost-benefit of investing in automated control systems. The findings suggest that while initial capital expenditures (CapEx) for advanced systems may be higher, the operational efficiency (OpEx) gained through energy savings and predictive maintenance justifies the investment. The document also explores the critical role of risk prevention measures, proposing a range of safety protocols including personal protective equipment (PPE), continuous worker training, and emergency response plans tailored to mining environments. Moreover, the analysis extends to the potential of future technological advancements, DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 18 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR such as ventilation-on-demand (VOD) systems, which dynamically adjust airflow based on real-time conditions. In conclusion, the design and implementation of a robust ventilation system not only enhance the safety and productivity of mining operations but also contribute to sustainable development by reducing energy consumption and minimizing environmental impact. This report provides practical recommendations for optimizing ventilation systems in underground mines, ensuring compliance with safety regulations, and promoting the long-term viability of mining activities. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 19 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1. INTRODUCCIÓN 1.1. LA MINERÍA A LO LARGO DE LA HISTORIA La minería ha sido una de las actividades humanas más antiguas y fundamentales, impulsando el progreso de las sociedades desde tiempos inmemoriales. Su evolución ha acompañado de cerca la historia de la humanidad, aportando los recursos necesarios para el desarrollo de herramientas, infraestructuras y tecnologías que han moldeado civilizaciones a lo largo de los siglos. 1.1.1. Nacimiento de la minería en la Antigüedad El origen de la minería se remonta a la Prehistoria, cuando los seres humanos comenzaron a extraer piedras y minerales para fabricar herramientas de caza, construcción y defensa. Durante el Neolítico, se usaban piedras como el sílex y la obsidiana para la fabricación de armas y utensilios, marcando el inicio de la minería primitiva. Sin embargo, fue con la Edad de los Metales cuando la minería experimentó un salto cualitativo. El descubrimiento y explotación de minerales como el cobre, el estaño y posteriormente el hierro, permitió el desarrollo de nuevas tecnologías y herramientas más resistentes, lo que aceleró el progreso de las sociedades antiguas. En el Antiguo Egipto, por ejemplo, ya se practicaba la minería en busca de minerales preciosos como el oro, utilizados para la creación de joyas y ornamentos, así como para la fabricación de herramientas ceremoniales y religiosas. En Mesopotamia y Persia, también se desarrollaron técnicas mineras para extraer cobre, plomo y estaño, lo que permitió la fabricación de bronce, material clave en la expansión de las civilizaciones. Con el auge de civilizaciones como Grecia y Roma, la minería se convirtió en una actividad organizada y controlada por el Estado, desempeñando un papel crucial en el fortalecimiento de sus economías. Los romanos fueron pioneros en la explotación a gran escala de minerales, desarrollando técnicas avanzadas de minería como la construcción de galerías subterráneas y el uso de herramientas hidráulicas. La expansión del Imperio Romano fue en gran parte impulsada por su capacidad para extraer recursos mineros de sus territorios conquistados, lo que a su vez financió su maquinaria bélica y política. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 20 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.1.2. Avances técnicos y su impacto en la sociedad A lo largo de los siglos, el avance de las técnicas mineras fue clave para impulsar el desarrollo de las sociedades. Durante la Edad Media, la minería sufrió un retroceso en muchas partes del mundo debido a las guerras, la inestabilidad política y las limitaciones tecnológicas. No obstante, en Europa, especialmente en regiones como Alemania y España, se mantuvo activa la extracción de plata, hierro y cobre. La invención de técnicas como el aguafuerte para la separación de metales y el desarrollo de nuevos métodos de perforación marcaron avances significativos en la industria minera durante este período. Con el Renacimiento y la expansión de los territorios europeos en América, la minería adquirió una nueva dimensión. La búsqueda de oro y plata en el Nuevo Mundo fue una de las motivaciones clave para la colonización, y la explotación de minas en Brasil, Perú, México y Bolivia, entre otras regiones, generó una intensa actividad económica, que junto a la correspondiente invasión francesa, holandesa, alemana o belga acaecida en América, Asia o Africa, financió la expansión de Europa y su dominio del comercio global de los minerales y las materias primas más valiosas. Sin embargo, este proceso también estuvo marcado por problemas sociales, derivado en primer lugar de la explotación de mano de obra indígena en las explotaciones, de la piratería activa en los mares y de la complejidad de la financiación de los estados, que ocasionaba como efecto secundario un incremento en la recaudación fiscal de algunos estados europeos, por citarlo de manera extremadamente resumida. En los siglos siguientes, el avance de la ingeniería minera permitió la explotación de minerales en depósitos más profundos y de difícil acceso. La introducción de bombas de drenaje y la mejora de la ventilación subterránea hicieron posibles operaciones mineras más seguras y eficientes. Estos avances técnicos no solo aumentaron la producción de metales, sino que también fomentaron la urbanización y el crecimiento económico en las regiones mineras, creando nuevas oportunidades de empleo y mejorando las condiciones de vida de muchas comunidades. 1.1.3. Problemas medioambientales y sociales a lo largo del tiempo A pesar de los beneficios económicos y técnicos que trajo consigo la minería, su impacto negativo en el medioambiente y en la sociedad ha sido un tema recurrente a lo largo de la historia. Desde los primeros asentamientos mineros, la deforestación, la DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 21 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR contaminación del agua y la destrucción del paisaje han sido consecuencias inevitables de esta actividad. En épocas más recientes, durante la Revolución Industrial, el uso de carbón como principal fuente de energía incrementó de manera exponencial la minería, sobre todo en Europa y Norteamérica. La quema de carbón en fábricas y locomotoras, junto con el vertido de residuos de las minas, trajo consigo graves consecuencias medioambientales. El aire y los ríos cercanos a las zonas industriales quedaron contaminados, afectando tanto a la salud de los trabajadores como a la biodiversidad local. Además, las malas condiciones laborales en las minas generaron importantes conflictos sociales, siendo uno de los motores de las primeras luchas obreras. Hoy en día, a pesar de los avances en regulaciones y tecnologías de explotación más limpias, la minería sigue enfrentando críticas por su impacto ambiental. Problemas como la minería a cielo abierto, la utilización de químicos tóxicos para la extracción de metales preciosos y la destrucción de ecosistemas siguen siendo desafíos importantes para la industria, aunque la situación evoluciona constantemente de manera positiva. 1.1.4. Contribución de la minería a la Revolución Industrial Como se ha mencionado previamente, la Revolución Industrial (siglo XVIII y XIX) marcó un hito en la historia de la minería, consolidándola como un pilar fundamental del desarrollo económico. El carbón, el hierro y otros minerales adquirieron una importancia sin precedentes como recursos estratégicos que impulsaron la expansión de la maquinaria y la infraestructura industrial. El carbón fue el principal combustible que alimentó las fábricas, los ferrocarriles y las nuevas tecnologías que emergieron en ese periodo. Las minas de carbón proliferaron en países como Inglaterra, Alemania y Estados Unidos, proporcionando la energía necesaria para la producción en masa y la mecanización de procesos. El hierro, por su parte, fue crucial para la construcción de máquinas, herramientas y, más tarde, para la fabricación de raíles, que conectaron regiones enteras y fomentaron el comercio. Además, el desarrollo de nuevas técnicas de extracción y procesamiento, como la cokificación del carbón y la fundición del hierro, permitió a la minería aumentar su capacidad de producción y satisfacer la creciente demanda global. La minería no solo proporcionó los recursos materiales, sino que también fue una fuente importante de empleo y capital, impulsando el crecimiento de las ciudades industriales y contribuyendo a la formación de nuevas clases sociales. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 22 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.1.5. Reconversión industrial en Europa y el papel estratégico de la minería en la actualidad Con la llegada del siglo XXI y la transición hacia fuentes de energía más limpias, como el petróleo, la industria minera en Europa experimentó una transformación. Países como el Reino Unido, Francia y Alemania, que habían sido potencias mineras durante la Revolución Industrial, comenzaron a reducir su dependencia del carbón y otros minerales tradicionales ya desde los años 80, reconvirtiendo sus industrias hacia sectores tecnológicos y de servicios, proceso seguido por otros países, como España. Figura 1: Mapa CRMs Andalucía1 De todos modos, la minería sigue siendo un sector estratégico en la economía global, especialmente por su rol en el suministro de materias primas críticas (CRMs) 1 Portal Andaluz de la Minería: Portal Andaluz de la Minería - Junta de Andalucía DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 23 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR necesarias para tecnologías avanzadas como la electrónica, las energías renovables y los vehículos eléctricos. La dependencia de minerales como el cobalto, el litio, el níquel o las tierras raras ha crecido significativamente en las últimas décadas, y estos minerales son esenciales para la transición hacia una economía verde y digital. La Unión Europea, consciente de la importancia de garantizar el acceso seguro y sostenible a estas materias primas, ha implementado políticas para diversificar las fuentes de suministro, reducir la dependencia de monopolios o oligopolios globales y fomentar la minería sostenible dentro de sus fronteras. En este sentido, el desarrollo de estrategias para reducir la dependencia de los países emergentes, que concentran gran parte de las reservas de CRMs, es clave para la seguridad económica y geopolítica de Europa. 1.1.6. Políticas de la UE sobre materias primas críticas (CRMs) La Comisión Europea ha identificado más de 30 minerales como CRMs, indispensables para la competitividad de la industria europea. Entre estas se incluyen el litio, necesario para la fabricación de baterías de vehículos eléctricos, y el cobalto, crucial para la tecnología de almacenamiento de energía. Las políticas de la UE en este sentido buscan fortalecer el reciclaje, promover la minería responsable y garantizar la autonomía estratégica en un mundo donde las disputas comerciales y la geopolítica pueden poner en peligro el acceso a estos recursos. Con esta introducción, se ha trazado un recorrido histórico de la minería, destacando su impacto en el desarrollo de las civilizaciones, sus contribuciones a la Revolución Industrial y su relevancia estratégica en la actualidad. La minería ha sido tanto una fuente de progreso como un reto medioambiental y social, y continúa siendo un sector clave en el desarrollo tecnológico y económico del futuro. 1.2. PREVENCIÓN DE RIESGOS EN EL SECTOR MINERO La minería ha sido históricamente una de las actividades más peligrosas y mortales para los trabajadores, con altos índices de accidentes y enfermedades profesionales. En sus primeros días, durante la Antigüedad y buena parte de la Edad Media, no existían mecanismos ni leyes que garantizaran la seguridad de los mineros. Las condiciones de trabajo eran extremadamente duras, y la explotación de los recursos minerales se realizaba sin tener en cuenta los riesgos a los que se enfrentaban los trabajadores, lo que llevó a innumerables tragedias a lo largo de los siglos. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 24 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.2.1. Ausencia de prevención de riesgos en la Antigüedad Durante gran parte de la historia de la minería, la ausencia de medidas de prevención fue la norma. En la Antigüedad, los mineros eran sometidos a largas jornadas de trabajo en condiciones insalubres y peligrosas. Las minas, sobre todo las de metales preciosos como el oro y la plata, se explotaban con escasa o nula ventilación, lo que exponía a los trabajadores a niveles tóxicos de polvo y gases. Los accidentes fatales por derrumbes, explosiones y envenenamientos eran frecuentes. Figura 2: La minería en la Antigüedad 2 En el Antiguo Egipto, Grecia y Roma, los mineros, en su mayoría esclavos, se enfrentaban a trabajos extenuantes en minas subterráneas sin ningún tipo de protección. Las técnicas rudimentarias y la falta de equipos adecuados aumentaban exponencialmente el riesgo de accidentes y enfermedades respiratorias como la silicosis, una de las primeras enfermedades profesionales documentadas, provocada por la inhalación de polvo de sílice. Sin embargo, no se adoptaron medidas preventivas ni mecanismos de protección para evitar estos riesgos. 2http://fineartamerica.com/featured/1-roman-slavery-coal-mine-granger.html?currencyid=CAD DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 25 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Técnicas Complementarias (ITC), detalla los requisitos de seguridad en la ventilación, manejo de explosivos y control de gases. 1.3.3. Normativa de prevención de riesgos laborales (PRL) Antecedentes en España y la UE En España, la legislación laboral ya incluía referencias a la seguridad de los trabajadores desde principios del siglo XX, aunque de forma fragmentada. A nivel europeo, las Directivas Marco (como la Directiva 89/391/CEE) fueron clave para armonizar los criterios de PRL en los Estados miembros. Ley de Prevención de Riesgos Laborales (LPRL) de 1995 La Ley 31/1995, inspirada en las directivas europeas sobre seguridad y salud en el trabajo, introdujo por primera vez un marco normativo exhaustivo que obliga a todas las empresas a evaluar y gestionar los riesgos laborales, incluidas las actividades mineras. Reglamento de los Servicios de Prevención (Real Decreto 39/1997) Este reglamento desarrolla la Ley de 1995, estableciendo los requisitos y competencias de los Servicios de Prevención que deben implementarse en las empresas. Regula cómo deben identificarse y gestionarse los riesgos, y define las responsabilidades de los empresarios. Directiva Europea sobre Seguridad Minera (92/104/CEE) Esta directiva establece las medidas mínimas de seguridad y salud para los trabajadores en actividades mineras subterráneas y a cielo abierto. Su implementación en España reforzó la normativa nacional, alineando las exigencias con los estándares europeos. Real Decreto 863/1985 (RGNBSM, antes mencionado) Aunque su origen es una normativa minera, el RD también incluyó una importante sección dedicada a la prevención de riesgos, con la creación de normas específicas sobre ventilación, control de gases y seguridad en el uso de explosivos. Complementa la normativa general de PRL con reglas específicas para el sector minero. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 32 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Reglamento sobre Equipos de Protección Individual (RD 773/1997) Establece las normas que deben cumplir los Equipos de Protección Individual (EPIs) en el trabajo, incluyendo los exigidos en el sector minero para proteger a los trabajadores de riesgos físicos, químicos y biológicos. Instrucciones Técnicas Complementarias (ITCs) Las ITCs asociadas al RGNBSM detallan aspectos específicos de la seguridad en las minas, desde la ventilación (ITC 05.0.04) hasta el manejo de explosivos (ITC 04.2.01), así como las obligaciones de las empresas en la supervisión y control de riesgos laborales. Estas normas complementan tanto la Ley de Prevención de Riesgos Laborales como la Ley de Minas para garantizar la protección de los trabajadores. 1.3.4. Conclusión sobre la normativa en minería y PRL El marco normativo que regula la minería y la Prevención de Riesgos Laborales (PRL) en España ha evolucionado significativamente desde el siglo XIX, adaptándose a los cambios tecnológicos, económicos y sociales. Desde las primeras leyes mineras en el siglo XIX hasta la actualidad, las regulaciones han buscado equilibrar el desarrollo del sector con la protección de los trabajadores y el medioambiente. En el ámbito de la PRL, las normativas españolas y europeas han sido claves para establecer estándares de seguridad más rigurosos, promoviendo una cultura de prevención que ha reducido significativamente los accidentes laborales en las últimas décadas. Sin embargo, no puede obviarse en primer lugar las normas de seguridad minera ya preexistentes y exhaustivas, que compendian la sensibilidad de los órganos sustantivos para promover la excelencia en la gestión del ecosistema minero a través de las décadas, con el avance de los tiempos y en paralelo a la evolución legislativa. 1.4. EL ESTÁNDAR ACTUAL DE SEGURIDAD Y SALUD En la actualidad, la minería en España se rige por un sólido marco legislativo que garantiza la seguridad y salud de los trabajadores, complementado por los recursos asignados a las administraciones públicas para supervisar y controlar su cumplimiento. Asimismo, las empresas mineras han asumido una creciente responsabilidad corporativa, aplicando medidas preventivas eficaces y desarrollando tecnologías que contribuyen a mitigar los riesgos inherentes a esta actividad. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 33 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.4.1 Cuerpo legislativo y recursos de las administraciones públicas El cuerpo legislativo español en el ámbito minero es uno de los más avanzados en Europa. El anteriormente mencionado RGNBSM, aprobado en 1985 y actualizado periódicamente con las ITCs, establece rigurosos estándares de seguridad que cubren desde la ventilación y el control de gases hasta la gestión de explosivos y el uso de maquinaria. Este reglamento garantiza que las explotaciones mineras operen bajo criterios estrictos de seguridad para los trabajadores. La LPRL de 1995 complementa este marco, obligando a todas las empresas a llevar a cabo evaluaciones de riesgos exhaustivas, implementar planes de prevención y garantizar que se apliquen las medidas de protección adecuadas. Esta ley ha sido clave en la reducción de la siniestralidad laboral, no solo en la minería, sino en todos los sectores productivos. Para asegurar el cumplimiento de estas normativas, las administraciones públicas, tanto a nivel estatal como autonómico, cuentan con inspectores de trabajo y técnicos especializados en seguridad minera. Estas instituciones supervisan las actividades mineras a través de auditorías, inspecciones regulares y la implementación de sanciones en caso de incumplimiento. Los Servicios de Prevención también juegan un papel crucial, evaluando continuamente los riesgos y promoviendo una cultura de seguridad y prevención dentro de las empresas. 1.4.2. Responsabilidad corporativa y medidas de prevención En este contexto, las empresas mineras en España han asumido un fuerte compromiso con la responsabilidad corporativa, entendiendo que la seguridad de sus trabajadores es un pilar fundamental para la sostenibilidad de sus operaciones. Además de cumplir con las normativas legales, muchas compañías mineras han ido más allá, invirtiendo en tecnologías avanzadas de prevención y fomentando la formación continua de su personal en temas de seguridad y salud. Es un hecho comprobado que una actividad eficaz en materia de PRL es asimismo una fuente de reducción de costes para las empresas, lo que ha reforzado esta labor. Jerarquía de control Una de las principales estrategias de las empresas es la adopción de la "jerarquía de control" en la gestión de riesgos laborales, un enfoque internacionalmente reconocido DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 34 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR que prioriza las medidas de prevención de acuerdo a su efectividad. Este modelo plantea un esquema de seis niveles: Eliminación del riesgo: La primera y más eficaz medida es la eliminación del riesgo en sí mismo. En el ámbito minero, esto se traduce en diseñar operaciones que eviten directamente la exposición de los trabajadores a situaciones peligrosas. Un ejemplo de ello es la automatización de procesos que antes requerían la intervención directa de los mineros en zonas de alto riesgo. Sustitución del peligro: Si no es posible eliminar el riesgo, el siguiente paso consiste en sustituir el peligro por otro menos perjudicial. Por ejemplo, la sustitución de maquinaria de combustión interna por maquinaria eléctrica o híbrida en operaciones subterráneas, lo que reduce la emisión de gases tóxicos como el monóxido de carbono (CO). Controles de ingeniería: En los casos donde no es factible eliminar o sustituir el riesgo, se implementan controles de ingeniería. Estos incluyen medidas técnicas que reducen la exposición al peligro, como la instalación de sistemas de ventilación avanzada, que permiten evacuar gases peligrosos y garantizar un flujo continuo de aire fresco en las minas. Controles administrativos y organización del trabajo: Si los controles de ingeniería no son suficientes, se implementan medidas organizativas para reducir la exposición de los trabajadores a los riesgos. Esto puede incluir la rotación de los turnos en áreas peligrosas, para limitar el tiempo de exposición, o la capacitación regular del personal en protocolos de seguridad y de actuación en caso de emergencia. Equipos de Protección Colectiva: Se trata de un complemento necesario y posterior a los niveles anteriores, como por ejemplo barreras anticaídas, balizamientos o revestimientos térmicos, entre otros muchos. Equipos de Protección Individual (EPI): Los EPI son la última barrera de protección. Aunque esenciales, deben ser considerados como el último recurso, ya que su efectividad depende del uso correcto por parte del trabajador. En minería, los EPI incluyen cascos, mascarillas, calzado de seguridad y protección ocular, entre otros elementos. Si bien no eliminan el riesgo, proporcionan una capa de seguridad adicional cuando las otras medidas no pueden evitar completamente la exposición. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 35 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.4.3. Evolución de la siniestralidad en el sector minero La aplicación de estas estrategias ha permitido una significativa reducción de la siniestralidad en el sector minero español durante las últimas décadas. Tradicionalmente, la minería era una de las actividades económicas más peligrosas, con una alta incidencia de accidentes fatales debido a derrumbes, explosiones, inhalación de gases tóxicos y otras circunstancias peligrosas propias de esta industria. En las décadas de los 60 y 70, cuando España aún dependía en gran medida de la minería de carbón y otros minerales, los accidentes eran frecuentes y muchas veces mortales. Con el incremento en la demanda de minerales, la minería se intensificó, lo que expuso a los trabajadores a situaciones de mayor riesgo. Sin embargo, desde la entrada en vigor de la LPRL en 1995 y la aplicación más rigurosa de la normativa minera, las tasas de accidentes laborales en la minería han disminuido drásticamente. Esto ha sido posible gracias a las mejoras tecnológicas, la inversión en ventilación y automatización, y un cambio cultural en las empresas, que ahora consideran la seguridad como un componente esencial de su rentabilidad y sostenibilidad a largo plazo. Los datos oficiales de los últimos años muestran una notable reducción de la mortalidad en el sector minero en comparación con décadas anteriores. Aunque la minería sigue siendo una actividad con riesgos inherentes, el número de accidentes graves y fatales ha disminuido, lo que demuestra la efectividad de las políticas de prevención y control. Además, la mejora en la gestión de riesgos laborales ha reducido la aparición de enfermedades profesionales, como la silicosis, gracias a la adopción de medidas de control del polvo y la ventilación eficiente. Cabe señalar que algunas enfermedades profesionales como la silicosis en la industria de la roca ornamental, no tiene un origen en la industria extractiva sino en la industria transformadora (corte de roca), por lo que sus estadísticas no se computan en el ámbito de la minería. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 36 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Figura 5: Evolución del número de trabajadores en el sector minero4 Figura 6: Evolución de las tasas de siniestralidad [ibidem] 4 Informe Siniestralidad Minera 2022. Comisión de Seguridad Minera, MITERD. Diciembre 2023. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 37 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1.4.4. Conclusión El estándar de seguridad y salud en el sector minero español se caracteriza actualmente por una rigurosa aplicación de normativas avanzadas, el compromiso de las administraciones públicas en la supervisión, y la creciente responsabilidad corporativa de las empresas, estando en un primer plano internacional. La aplicación de la “jerarquía de control” y conceptos como la “mejora continua” o la “integración de la prevención en los procesos productivos” ha permitido mitigar eficazmente los riesgos laborales, aunque esta tendencia se debe mantener. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 38 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 2. OBJETIVOS DEL PRESENTE TRABAJO El objetivo principal de este Trabajo Fin de Máster (TFM) es ofrecer un compendio exhaustivo sobre la evolución histórica y contemporánea de la minería, destacando su papel fundamental en el desarrollo de las civilizaciones, su impacto durante las revoluciones industriales y su relevancia actual en la revolución tecnológica. La minería ha sido un motor clave del progreso humano, proporcionando los recursos esenciales para la fabricación de herramientas, la construcción de infraestructuras y el impulso del crecimiento económico en cada etapa de la historia. Este trabajo pretende subrayar cómo la minería ha sido una actividad de alto riesgo a lo largo de los siglos, con innumerables accidentes laborales y daños al medioambiente, pero que, en la actualidad, ha dado paso a un sector mucho más controlado y seguro, gracias al desarrollo de normativas y avances tecnológicos. Las leyes de prevención de riesgos laborales (PRL), junto con los mecanismos de protección medioambiental, han convertido a la minería moderna en una actividad más sostenible y segura, alineada con los estándares internacionales y los objetivos de desarrollo sostenible. Un enfoque central del trabajo es destacar la importancia estratégica de la minería no sólo para el crecimiento industrial de los siglos pasados, sino también para los desafíos contemporáneos que enfrenta el mundo, como la transición hacia una economía verde y digital. La extracción y el procesamiento de minerales son cruciales para el desarrollo de tecnologías limpias, como los vehículos eléctricos, las energías renovables y los dispositivos electrónicos, que están transformando la vida cotidiana y mejorando el bienestar de las personas en todo el mundo. Asimismo, el riesgo inherente a la minería subterránea sigue siendo uno de los mayores desafíos del sector, aunque se han logrado grandes avances en su gestión. Este TFM pone especial énfasis en uno de los aspectos más críticos de la minería subterránea: la ventilación. En primer lugar se puede destacar que la tendencia actual sugiere un incremento notable de las explotaciones subterráneas sobre las superficiales, por su menor impacto sobre el territorio, el uso del suelo, emisiones a la atmósfera, impacto paisajístico, etc. Adicionalmente, puede señalarse que el avance de la exploración minera a lo largo del tiempo hace ya muy complicado encontrar yacimientos minerales superficiales. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 39 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Sucede entonces que en la minería subterránea, la adecuada ventilación en las minas es vital para garantizar la seguridad de los trabajadores y minimizar la exposición a gases tóxicos y otros riesgos asociados. En este sentido, se presentan los principios básicos y los desarrollos actuales en la ventilación minera como un ejemplo práctico de las tecnologías y medidas que han revolucionado la seguridad en las operaciones subterráneas. Finalmente, este trabajo tiene como objetivo ser accesible y útil no solo para profesionales del ámbito minero, sino también para estudiantes y otras personas interesadas en conocer un poco más sobre la evolución de la minería y su papel en la sociedad. A través de un enfoque didáctico y claro, se pretende que este compendio sirva como un recurso de consulta y reflexión sobre el pasado, presente y futuro de la minería, así como sobre los avances en la gestión de los riesgos laborales y la protección del medioambiente en este sector esencial. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 40 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 3. ANÁLISIS DE GASES, HUMOS Y POLVOS Se desarrolla a continuación un análisis de los gases, humos y polvos de forma amplia y detallada, comenzando con una descripción técnica y normativa, y complementando con medidas preventivas y de control. 3.1. GASES TÓXICOS Y SU CONTROL EN LAS MINAS La atmósfera en una mina subterránea está sujeta a la acumulación de diversos gases tóxicos, que representan un riesgo significativo para la salud de los trabajadores y la seguridad general de las operaciones. Figura 7: Clasificación de sustancias aéreas (Apuntes HigInd-Máster)5 3.1.1. Gases tóxicos Entre los principales gases tóxicos se encuentran: Monóxido de carbono (CO): Un gas incoloro, inodoro y altamente tóxico. Se produce principalmente por la combustión incompleta de combustibles en 5 Apuntes de la asignatura Higiene Industrial. Máster de Seguridad Industrial y Prevención de Riesgos Laborales. Escuela Politécnica Superior. Universidad de Sevilla. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 41 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 4. NECESIDADES DE VENTILACIÓN EN MINAS 4.1. PARÁMETROS FUNDAMENTALES Los parámetros fundamentales para diseñar un sistema de ventilación adecuado en una mina incluyen variables como: Caudal de aire (Q): Es la cantidad de aire que se requiere para diluir y evacuar los contaminantes de la mina, expresado en metros cúbicos por segundo (m³/s). Este parámetro se calcula según el número de trabajadores, los equipos que funcionan con motores diésel, su simultaneidad de operación y la cantidad de gases nocivos generados. Puede afirmarse que es el parámetro fundamental de un sistema de ventilación. El caudal suministrado es proporcional a la velocidad de giro de los rodetes en el ventilador. Velocidad del aire: La velocidad a la que el aire circula en los túneles es crucial para evitar la acumulación de gases peligrosos y polvo en suspensión. Según la ITC 04.7.01, las velocidades máximas permitidas en galerías varían según su uso, siendo de entre 0.1 a 6 metros por segundo (m/s), dependiendo de las condiciones específicas de la mina. A partir de 5 m/s comienza a ser molesto para los trabajadores. Presión estática y dinámica: La presión del aire en los conductos de ventilación se debe calcular para garantizar que el aire fluya sin restricciones por toda la mina. La presión estática se refiere a la fuerza que ejerce el aire cuando está en reposo, mientras que la presión dinámica es la energía debida al movimiento del aire. Ambas presiones influyen directamente en el diseño de ventiladores y el dimensionamiento de los conductos. La presión que desarrolla el ventilador aumenta con el cuadrado de su velocidad, y también se ve afectado de forma proporcional con la densidad del aire. Temperatura y humedad: La temperatura del aire dentro de la mina puede aumentar debido a la maquinaria, la profundidad y la actividad geotérmica, lo que afecta la eficiencia de la ventilación. La ITC 04.7.05 regula los límites máximos de temperatura y humedad permitidos en las minas, con el objetivo de evitar el estrés térmico en los trabajadores. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 48 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Pérdidas de carga: Las pérdidas de carga de un sistema de ventilación se deben a la existencia de rendijas en las tuberías (p.e. roturas por proyecciones de piedras en las voladuras), por los acodamientos, estrechamientos o ensanchamientos, o por el rozamiento con el propio material de los conductos. Las pérdidas de carga son inversamente proporcionales al diámetro de la tubería: la relación entre dichas pérdidas y el perímetro de la misma, sugieren intentar utilizar siempre el máximo diámetro posible. Potencia absorbida por el ventilador: La potencia que requiere el ventilador para su funcionamiento, y en consecuencia el consumo energético del aparato, es proporcional al cubo del caudal suministrado, de tal manera que con caudales elevados, aumentar la solicitación del equipo deriva en un incremento mucho mayor del coste de funcionamiento. Las relaciones básicas que pueden considerarse al respecto son las siguientes: Donde: N es el régimen de giro del ventilador Q es el caudal suministrado P es la presión ρ es la densidad Pw es la potencia absorbida 4.2. CÁLCULO DEL CAUDAL DE AIRE NECESARIO El cálculo del caudal de aire necesario se realiza teniendo en cuenta varios factores, como el número de trabajadores, el tipo de maquinaria y la cantidad de contaminantes producidos. Según la ITC 04.7.01, el caudal mínimo de aire en una mina subterránea debe ser de 40 litros por segundo (L/s) por trabajador presente en el relevo más numeroso. El cálculo del caudal se puede dividir en tres componentes principales: DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 49 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Necesidades de aire por respiración humana: El aire debe proporcionar oxígeno suficiente y eliminar el dióxido de carbono exhalado por los trabajadores. En operaciones mineras, se estima que cada trabajador requiere 40 L/s para mantener una atmósfera adecuada. Aire para la dilución de gases: Se requiere una cantidad adicional de aire para diluir los gases peligrosos, como el metano, el monóxido de carbono y otros, de acuerdo con los límites establecidos por las ITC. Por ejemplo, el contenido de metano no debe superar el 0.80% en los retornos principales de aire. Consumo de aire por la maquinaria diésel: La operación de maquinaria diésel genera una cantidad significativa de gases tóxicos. El cálculo de aire necesario para diluir estos contaminantes varía según el tamaño y el número de equipos diésel operando en la mina. En general, se recomienda entre 0.05 y 0.06 m³/s por kilovatio de potencia instalada. 4.3. NORMATIVA DE VENTILACIÓN Los requerimientos de ventilación están estrictamente regulados por normativas, con el objetivo de mantener un entorno seguro y saludable para los trabajadores. Las normativas más relevantes son: Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera (RGNBSM), junto con sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), establece las condiciones mínimas de ventilación, límites de concentración de gases y requisitos para la instalación de equipos de ventilación. ITC 04.7.01 – Circulación de la corriente de aire: Esta instrucción técnica regula la circulación de aire en galerías, determinando los volúmenes mínimos de aire necesarios en función de la extensión de la mina, la cantidad de trabajadores y el uso de motores de combustión. Instrucción Técnica Complementaria ITC 05.0.02 – Contenidos límites de metano en la corriente de aire: Para minas con riesgo de explosión, esta instrucción establece los límites de concentración de metano, así como las medidas a tomar cuando estos valores sean superados. Instrucción Técnica Complementaria ITC 05.0.04 – Ventiladores principales. Instrucción Técnica Complementaria ITC 05.0.05 – Inspección y Vigilancia: Gasometría, Aforos y Libros de Ventilación. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 50 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Instrucción Técnica Complementaria ITC 04.7.03 – Ventiladores Principales y Puertas. Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales (LPRL): Esta ley establece las obligaciones del empresario para garantizar la salud y seguridad de los trabajadores, incluyendo la necesidad de implementar sistemas de ventilación adecuados que mantengan una atmósfera segura. 4.4. VENTILACIÓN PRINCIPAL Y AUXILIAR 4.4.1. Definiciones La ventilación en las minas se divide en ventilación principal y ventilación auxiliar, cada una con funciones específicas. Ventilación principal: Se encarga de proporcionar aire fresco desde la superficie hasta el interior de la mina. Generalmente se utilizan ventiladores axiales o centrífugos de gran capacidad instalados en la entrada de la mina. Estos ventiladores mantienen un flujo constante de aire a través de los pozos y galerías principales. El caudal y la presión generada por estos ventiladores deben ser suficientes para asegurar que el aire llegue a todas las áreas operativas, superando las resistencias naturales y artificiales del circuito de ventilación. Ventilación auxiliar: La ventilación auxiliar complementa la ventilación principal, dirigiendo el aire a áreas más remotas o confinadas, como frentes de trabajo o galerías de fondo de saco. Se utilizan ventiladores secundarios más pequeños y tubos flexibles para llevar el aire hasta estos puntos específicos. En zonas donde se utilicen explosivos o se manejen grandes concentraciones de polvo, se suele emplear ventilación soplante para asegurar una rápida dispersión de contaminantes. 4.4.2. Métodos de ventilación Ventilación forzada: Se utiliza para inyectar aire fresco en áreas donde la ventilación natural o el simple flujo de aire no es suficiente. Este método es especialmente útil en minas profundas o con laberintos complejos. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 51 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Ventilación por extracción: Consiste en extraer el aire viciado de las áreas de trabajo para evitar la acumulación de gases tóxicos y polvo. A menudo se usa en combinación con la ventilación forzada para mantener un flujo constante. Ventilación combinada: Se emplean tanto ventiladores que soplan aire fresco hacia el interior como extractores que eliminan el aire contaminado, garantizando un equilibrio adecuado en la atmósfera de la mina. En este caso la ventilación soplante debe asegurar un caudal superior a la aspirante, para garantizar un balance neto positivo en la entrada de aire limpio al emplazamiento. 4.4.3 Curva de funcionamiento La curva de funcionamiento de un sistema de ventilación es el parámetro clave para la toma de decisiones. Se trata de la intersección entre la curva característica del ventilador y la curva de solicitaciones del sistema, como puede apreciarse en las figuras y explicaciones adjuntas. Figura 10: Curva de solicitaciones del sistema [2] La curva de solicitaciones del sistema suele considerarse como una curva cuadrática, ya que las pérdidas de carga aumentan con el cuadrado del caudal suministrado. En realidad existen dos tramos previos, uno en el que el régimen laminar supone una variación lineal y otro de transición hasta el régimen turbulento. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 52 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Figura 11: Determinación del punto de funcionamiento [2]. Por otra parte, la curva característica del ventilador es inversa, dado que a mayor presión, menor caudal, y viceversa. En rigor esto no es exactamente así, de manera que a bajo caudal el funcionamiento del ventilador no responde a ese criterio. No obstante, en el rango de utilización de los equipos es cierto que a menor presión, mayor caudal. Entonces, el punto de corte de la curva característica del ventilador con la curva del sistema es el denominado punto de funcionamiento, que se corresponde con un rendimiento del motor cercano al óptimo. Como posteriormente se detalla, si ese punto de funcionamiento supone un caudal mayor que el necesario, puede reducirse la velocidad de giro y por ende, el caudal, las pérdidas y la potencia requerida (el consumo energético), para adaptar la aportación del ventilador a la necesidad real del sistema, cuando éste es cambiante, como se da el caso durante el proceso de perforación de una galería. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 53 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 5. DISEÑO DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN Se desarrolla continuación el diseño del sistema de ventilación, abordando la selección y disposición de ventiladores, así como la distribución eficiente de la corriente de aire en la mina, los sistemas de detección y control de gases, y la modelización del sistema de ventilacióncitando las normativas y prácticas recomendadas. 5.1. SELECCIÓN Y DISPOSICIÓN DE VENTILADORES La selección de ventiladores para un sistema de ventilación minera es crucial para asegurar un flujo constante y adecuado de aire. Los ventiladores deben ser capaces de generar la presión y caudal de aire necesarios para garantizar la calidad del aire en toda la mina, incluso en áreas de difícil acceso o con elevadas concentraciones de gases peligrosos o polvo. Los criterios de selección de ventiladores requiere la consideración del tipo de ventilador más adecuado, así como su disposición. 5.1.1. Tipo y parámetros de los ventiladores Ventiladores axiales: Son los más comunes en minería debido a su capacidad para mover grandes volúmenes de aire a baja presión. Son ideales para minas profundas donde se requiere un flujo continuo de aire en galerías largas. Los ventiladores axiales se usan generalmente en la ventilación principal. Ventiladores centrífugos: Estos ventiladores son más adecuados para situaciones donde se necesita generar una presión estática elevada, como en minas con una red compleja de túneles o donde se requiere superar grandes resistencias del sistema. Se utilizan principalmente como ventiladores de refuerzo en sistemas de ventilación. Capacidad del ventilador: La capacidad de un ventilador se mide en términos de caudal (m³/s) y presión estática generada. Esta capacidad debe estar en consonancia con el caudal de aire requerido, que se determina según el número de trabajadores, maquinaria y el volumen de la mina. Los ventiladores deben seleccionarse de manera que puedan superar las pérdidas de presión debidas al rozamiento del aire en los conductos. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 54 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Punto de trabajo del ventilador: Se refiere al equilibrio entre la curva característica del ventilador y las pérdidas de presión en el circuito de ventilación. Es fundamental que el ventilador opere en su punto de máxima eficiencia para evitar desperdicio de energía y mantener un flujo de aire constante. Tabla 1: Comparativa entre ventiladores axiales y centrífugos. 5.1.2. Disposición de los ventiladores La disposición de los ventiladores en una mina varía en función del diseño de la red de túneles y pozos. Existen diferentes configuraciones, cada una adaptada a las necesidades específicas de la mina: Ventiladores principales: Estos ventiladores se colocan generalmente en las bocas de las minas, encargándose de introducir aire fresco desde el exterior o de extraer el aire viciado hacia el exterior. Pueden estar instalados en ventilación aspirante (extracción de aire contaminado) o en ventilación soplante (introducción de aire fresco), dependiendo de las condiciones de la mina y la normativa aplicable. Ventiladores auxiliares: Se utilizan en frentes de trabajo, galerías de desarrollo y áreas remotas, donde el flujo de aire de los ventiladores principales no llega de manera eficiente. Se instalan en combinación con conductos flexibles para dirigir el aire hacia zonas específicas. Ventiladores de refuerzo: Son ventiladores adicionales instalados en el circuito de ventilación para aumentar el caudal de aire en zonas donde la ventilación DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 55 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR principal no es suficiente. Estos se colocan en puntos estratégicos del sistema de ventilación para garantizar un flujo constante en las ramas más alejadas. 5.2. DISTRIBUCIÓN DE LA CORRIENTE DE AIRE El diseño de la distribución de la corriente de aire en una mina subterránea debe garantizar que todas las áreas de trabajo reciban aire fresco y que el aire contaminado sea extraído de manera eficiente. La distribución de aire debe ser homogénea y controlada, evitando la recirculación de gases tóxicos o explosivos, como el metano. 5.2.1. Principios de circulación del aire Según la ITC 04.7.01, todas las áreas accesibles de una mina deben estar recorridas por una corriente de aire suficiente, en armonía con las condiciones del trabajo y las características geológicas de la mina. El volumen de aire debe ajustarse a las necesidades específicas de cada área, como el número de trabajadores y la maquinaria empleada. 5.2.2. Corrientes principales y secundarias Corriente principal de aire: Es la que circula a través de los túneles principales y galerías más grandes, transportando el aire desde la superficie hasta los puntos más alejados de la mina. Para evitar la recirculación del aire contaminado, el flujo de entrada debe estar separado del flujo de retorno mediante sellos o puertas de ventilación. Corrientes secundarias: Estas corrientes se generan mediante ventilación auxiliar y se utilizan para ventilar frentes de trabajo o áreas donde el aire de las corrientes principales no llega directamente. La ventilación auxiliar puede ser aspirante o soplante, dependiendo de la configuración de la galería. Puertas y barreras de ventilación: Se instalan puertas de ventilación en las galerías para controlar el flujo de aire y garantizar que se dirija adecuadamente a las áreas requeridas. Estas puertas deben ser ignífugas y colocarse estratégicamente para permitir la división efectiva del aire, evitando la mezcla entre las corrientes de entrada y retorno. Pérdidas de presión: En la distribución del aire, es importante considerar las pérdidas de presión que se producen por el rozamiento del aire con las paredes DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 56 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR de los conductos y por cambios de dirección o sección. Estas pérdidas deben minimizarse para asegurar que el caudal de aire sea suficiente en todas las áreas de la mina. Monitoreo y ajuste: Para garantizar una distribución efectiva del aire, es fundamental implementar un sistema de monitoreo continuo. Se deben realizar mediciones periódicas de caudal y presión en puntos clave del circuito de ventilación, ajustando el flujo según sea necesario para evitar la acumulación de gases peligrosos y polvo en suspensión. 5.3. INSTALACIÓN DE VENTILADORES La correcta instalación de ventiladores principales y auxiliares es esencial para garantizar la seguridad en una mina subterránea, así como la eficiencia del sistema de ventilación. Los ventiladores deben ser capaces de operar de forma continua y a plena capacidad para mantener la calidad del aire en niveles adecuados, y su ubicación debe maximizar la circulación del aire. 5.3.1. Ventiladores principales Los ventiladores principales se instalan en las entradas o salidas de aire de la mina, y su función es asegurar el flujo constante de aire fresco hacia el interior y la evacuación del aire viciado hacia el exterior. La ITC 04.7.03 establece que en minas donde la ventilación natural es insuficiente, se deben instalar ventiladores principales, siendo obligatorio en minas de carbón. Ubicación Se colocan en puntos estratégicos, generalmente en la boca de la mina o en pozos verticales de ventilación, de manera que impulsen el aire hacia el interior o extraigan el aire viciado. En minas con riesgo de explosión (por la presencia de metano o polvo de carbón), los ventiladores principales deben estar protegidos contra explosiones, y en caso de una parada imprevista, debe haber un sistema de ventilación de emergencia. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 57 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Figura 17: Modelo de un sistema de ventilación en una mina subterránea12 5.5.2. Optimización del sistema La modelización permite realizar una optimización energética del sistema de ventilación, ajustando los ventiladores para minimizar el consumo de energía sin comprometer la seguridad de los trabajadores. La simulación también permite prever los efectos de modificaciones en la infraestructura de la mina, como el desarrollo de nuevas galerías o la instalación de nuevos equipos. La instalación de variadores es fundamental, para modificar la curva del ventilador y en función de las pérdidas del sistema, reducir el consumo asegurando el caudal requerido. En otras palabras, si se diseña una ventilación secundaria para la construcción de una galería minera de 500 m, como es el caso que nos ocupa, se procurará satisfacer la demanda de aire fresco en las condiciones más desfavorables, que corresponde al máximo desarrollo de la misma. 12 Manual de Ventilación de Minas, túneles y espacios subterráneos (2021). ETSI Minas. UPM DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 64 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Sin embargo, cuando todavía no se ha completado la totalidad de la misma, la curva de pérdidas o la solicitación del sistema (la galería) es inferior a las condiciones pésimas, por lo que el caudal que aportará el ventilador es mayor al desplazarse su punto de funcionamiento hacia la derecha, proporciona más aire del necesario y en consecuencia, consume más. Este ahorro en principio puede parecer irrisorio; sin embargo, en un sistema complejo, que corresponde en general a un emplazamiento estándar, son incluso centenas de elementos de ventilación secundaria que, de no ser optimizados, conducen a un incremento inaceptable de los costes operativos por consumo. 5.5.3. Simulación de escenarios críticos La simulación también se utiliza para prever situaciones de emergencia, como la acumulación de gases explosivos o la parada inesperada de ventiladores. Esto permite planificar acciones correctivas rápidas, como el desalojo de personal o el restablecimiento de la ventilación. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 65 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 6. APLICACIÓN A UN CASO PRÁCTICO Se trata de calcular un caso sencillo para la ventilación secundaria en una galería. Para ello se han planteado tres alternativas, calculando los correspondientes requerimientos de caudal y sobre esa base, identificar equipos adecuados para ello, teniendo en cuenta aspectos tales como el diámetro y longitud de la galería, pérdidas de carga, etc., de tal manera que en función de la elección que se realice para los diversos elementos en cada una de las tres alternativas, se pueda realizar posteriormente el correspondiente análisis económico. 6.1. DATOS DE PROYECTO Se trata de una galería minera que se precisa ventilar mediante un equipos secundario. Los parámetros de la misma se indican a continuación, así como la primera configuración del sistema, que se ha elegido de tipo soplante, como suele hacerse en los casos más habituales, dado que es más fácil de controlar en condiciones de desalojo del tapón de humos y ofrece ventajas de consumo energético y mantenimiento. Se está eligiendo una configuración de ventilador en cabeza, lo que a su vez requiere aplicar un concepto de ventilacion soplante. Se supone que se va a considerar el avance de un túnel por perforación y voladura, con las siguientes características: Longitud máxima del túnel: 500 m Sección del túnel: 54 m2 Tipo de ventilación auxiliar: soplante Tipo de conducto de ventilación: circular flexible de PVC Diámetro nominal conducto: a analizar Ubicación ventilador: en cola de conducto (exterior del portal del túnel) Máximo diámetro nominal conducto: 1600 mm (limitación por gálibo) Calidad conducto (Referencia: SIA 196): Excelente Coeficiente de fricción (-): 0,015 Coeficiente de fugas (mm2/m2): 5 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 66 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 6.2. ESCENARIOS ALTERNATIVOS Se han definido tres escenarios alternativos para definir la ventilación necesaria, que se describen detalladamente a continuación. Antes, las ecuaciones de referencia son las que a continuación se exponen: Qdiseño = Qmezcla + Qdilución Qmezcla = [A x (LTUNEL – LTAPON)]/tmezcla Qmezcla = caudal de aire fresco que permite desarrollar la mezcla entre el aire fresco aportado y el tapón de humos de la voladura en un tiempo de mezcla determinado (tmezcla), que junto con el tiempo de dilución (tdilución) define el tiempo total o tiempo de reentrada (treentrada), que define el caudal de diseño. Donde: A = sección de túnel. LTUNEL = longitud de túnel LTAPON = longitud de tapón de humos tmezcla = tiempo de mezcla Qdilución = (VTUNEL/t dilución) x Ln (GTUNEL/GADMISIBLE) Donde: VTUNEL = volumen túnel (Longitud por sección) tdilución = tiempo que transcurre entre que se consigue la mezcla de gas y aire fresco, y esta mezcla llega al portal (ocupa el volumen completo del túnel en ese momento) GTUNEL = concentración de gases (CO, CO2, NO2) en la galería tras voladura GADMISIBLE = concentración admisible de gases (CO, CO2, NO2). 6.2.1. Escenario 1 OBJETIVO: Garantizar la dilución de humos diesel a valores aceptables. Ratio de dilución elegido: 0.0368 m³/s/CV (3 m³/min/kW) Ref.: BS 6164:2001 "Code of practice for safety in tunneling in the construction industry" Maquinaria diesel a considerar: 1 LHD de 5.4 m³ de capacidad de carga (348 CV de potencia diesel nominal) DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 67 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 1 Dumper de perfil bajo de 16 m³ de capacidad de carga (393 CV de potencia diesel nominal) Coeficiente de simultaneidad de las máquinas: LHD: 100% Dumper: 100% Escenario considerado para cálculo de carga pico de motores diesel simultánea (LHD finaliza carga y dumper se desplaza cargado): LHD: 60% Dumper: 100% Caudal gases diesel: Qdiseño = δ x Peq = 0.0368 m3/s/CV x 601.8 CV = 22.14 m3/s δ = Ratio dilución = 0.0368 m3/s/CV Peq = Potencia total equivalente = 601.8 CV (ver debajo) Peq = Σ (Potencia equivalente por tipo máquina) = (Unidades x Potencia nominal unitaria x CS) = 1 x 348 x 0.6 + 1 x 393 x 1.0 = 601.8 CV Caudal dilución humos y gases voladura: 32.31 m3/s este es un cálculo iterativo que se realiza mediante un procedimiento automatizado por software. En cuanto a éste, para llevar a cabo la iteración, hay que poner en contexto diversos factores que son cambiantes: la longitud del túnel, con el tiempo total de reentrada deseado, la variación del tiempo de dilución con la longitud del túnel, etc. de tal modo que: treentrada = tmezcla + tdilución y que por tanto, da lugar a: Qdiseño = Qmezcla + Qdilución Potencia total equivalente: 601.8 CV Qdiseño = 22.14 m3/s 6.2.2. Escenario 2 OBJETIVO: Garantizar la dilución de gases de voladura para un tiempo de reentrada determinado: Tiempo de reentrada requerido: 40 min Longitud de pase: 4 m DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 68 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Densidad carga explosivo: 2 kg/m³ Densidad promedio de la roca: 3.1 t/m³ Concentraciones gases admisibles: CO (ppm): 50 CO2 (ppm): 5000 NO2 (ppm): 5 Concentración inicial gases de voladura: CO (ppm): 880 CO2 (ppm): 5596 NO2 (ppm): 174 Concentración mezcla: CO (ppm): 209 CO2 (ppm): 1326 NO2 (ppm): 41 Cálculo longitud tapón de humos: 118.5 m Caudal de diseño: 32.31 m³/s 6.2.3. Escenario 3 OBJETIVO: Garantizar una velocidad mínima de aire en el retorno: Sección túnel: 54 m2 Criterio velocidad mínima: 0.5 m/s Ref.: BS 6164:2001 "Code of practice for safety in tunneling in the construction industry" (túneles con polvo). Caudal velocidad mínima: Qdiseño = V x Sección galería = 0.5 m/s x 54 m2 = 27.00 m3/s V = velocidad mínima en el retorno considerada = 0.5 m/s S = sección transversal de la galería = 54 m2 Es muy importante resaltar que este caudal de diseño es el que hay que entregar en el frente. El caudal del ventilador (caudal en origen de tubería) siempre será mayor (debido a las fugas) y depende en cada caso de la presión del sistema, en la que influye el diámetro del tubo, el caudal circulante en cada caso, etc. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 69 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 6.2.5. Establecimiento del caudal de diseño A partir de los resultados anteriores, se procede a seleccionar el criterio más restrictivo, que puede comprobarse que corresponde al Escenario 2, en tanto que: CRITERIO 1: 22.39 m³/s CRITERIO 2: 32.31 m³/s (criterio más restrictivo) CRITERIO 3: 27.00 m³/s Por lo tanto se establece el caudal de diseño en 32.31 m³/s 6.3. DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE VENTILACIÓN El procedimiento de diseño se plasma a continuación tomando en consideración los escenarios planteados. Las curvas de funcionamiento del sistema y la determinación de los puntos de operación se muestran en las hojas técnicas del Anexo. 6.3.1. Escenario 1 Caso 1: tubería de diámetro 1200mm Caudal a entregar en el frente: 32.31 m³/s Caudal en el ventilador: 32.84 m3/s Fugas: 0.53 m3/s Presión total en el ventilador: 3720 Pa Número ventiladores en serie: 2 Rendimiento ventilador: 78.7% Potencia en el eje (calculada): 77.7x2 kW Potencia nominal motor (talla estándar): 90 kW Total potencia a instalar: 2x90 kW Velocidad de giro del motor: 1500 rpm (4 polos a 50 Hz) Selección ventilador ZITRÓN: 2xZVN 1-14-90/4 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 70 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 6.3.2. Escenario 2 Caso 2: tubería de diámetro 1400mm Caudal a entregar en el frente: 32.31 m3/s Caudal en el ventilador: 32.74 m3/s Fugas: 0.43 m3/s Presión total en el ventilador: 1756 Pa Número ventiladores en serie: 1 Rendimiento ventilador: 78.2% Potencia en el eje (calculada): 73.5 kW Potencia nominal motor (talla estándar): 75 kW Total potencia a instalar: 75 kW Velocidad de giro del motor: 1500 rpm (4 polos a 50 Hz) Selección ventilador ZITRÓN: ZVN 1-14-75/4 6.3.3. Escenario 3 Caso 3: tubería de diámetro 1600mm Caudal a entregar en el frente: 32.31 m3/s Caudal en el ventilador: 32.67 m3/s Fugas: 0.36 m3/s Presión total en el ventilador: 962 Pa Número ventiladores en serie: 1 Rendimiento ventilador: 77.7% Potencia en el eje (calculada): 40.5 kW Potencia nominal motor (talla estándar): 45 kW Total potencia a instalar: 45 kW Velocidad de giro del motor: 1500 rpm (4 polos a 50 Hz) Selección ventilador ZITRÓN: ZVN 1-14-45/4 DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 71 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7. ANÁLISIS ECONÓMICO Se centra el presente documento en la comparativa de alternativas tecnológicas y los costes de implementación de los sistemas de ventilación. Este análisis es crucial para elegir soluciones que no solo garanticen la seguridad y eficiencia, sino que también sean viables económicamente. 7.1. COMPARATIVA DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS El análisis económico de un sistema de ventilación en minas subterráneas implica la evaluación de varias alternativas tecnológicas. La selección de una tecnología adecuada depende de factores como la eficiencia, el consumo energético, la capacidad de ventilación, el coste inicial de implementación y el coste de operación a largo plazo. 7.1.1. Ventiladores axiales vs. Ventiladores centrífugos Los ventiladores axiales son equipos más eficientes para mover grandes volúmenes de aire a baja presión, lo que los hace ideales para minas profundas y sistemas de ventilación principal. Tienen un menor consumo energético que los ventiladores centrífugos, lo que reduce significativamente los costes operativos en minas con circuitos largos y extensos. Su mantenimiento es relativamente sencillo y los costes asociados son más bajos en comparación con otras tecnologías. También es cierto que presentan ciertas desventajas, y es que no son tan efectivos cuando se necesita generar una alta presión estática, por lo que en sistemas complejos con muchas bifurcaciones pueden requerir ventiladores de refuerzo adicionales. Por otra parte, los ventiladores centrífugos implican una tecnología más compleja desde el punto de vista de su diseño y modelización, así como de su construcción. Son más efectivos cuando se necesitan generar altas presiones en sistemas de ventilación con resistencias significativas (e.g., galerías largas con varias ramificaciones y cambios de dirección). Por ello, son útiles en sistemas auxiliares o en ventilación de emergencias donde se requiere un control más preciso del flujo de aire. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 72 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR En cuanto sus desventajas, tienen un consumo energético más alto que los ventiladores axiales, lo que se traduce en mayores costes operativos a largo plazo. Asimismo y en la línea de lo anteriormente expresado, presentan un coste inicial elevado debido a su diseño más robusto y complejo. 7.1.2. Sistemas de ventilación natural vs. ventilación forzada La ventaja principal del sistema de ventilación natural reside en su bajo coste operativo, ya que no requiere el uso constante de energía para mover el aire a través de los conductos. Puede ser efectiva en minas poco profundas o en aquellas donde las condiciones geográficas facilitan el movimiento natural del aire. Por otro lado, sus desventajas son principalmente dos: por un lado su capacidad limitada, especialmente en minas profundas o con grandes requerimientos de ventilación, donde no puede asegurar un flujo constante de aire fresco ni la evacuación eficiente de gases tóxicos. Además, es difícil de controlar, lo que puede poner en riesgo la salud y seguridad de los trabajadores. La ventilación forzada, por el contrario, permite en primer lugar garantizar un control constante del flujo de aire, ajustándose a las necesidades específicas de la mina en todo momento. Es la opción preferida en minas con altos niveles de gases peligrosos o en situaciones donde la ventilación natural no es suficiente. Además permite un diseño flexible, combinando ventiladores principales y auxiliares para cubrir toda la mina. Su desventaja esencial es que su coste energético es elevado, ya que requiere el uso constante de ventiladores, lo que incrementa los costes operativos. 7.1.3. Sistemas de control automático vs. manual Los sistemas de control automático permiten una monitorización continua de los parámetros de ventilación y ajustes automáticos en tiempo real, optimizando el consumo de energía y la seguridad. Se pueden integrar con sistemas de detección de gases para activar mecanismos de evacuación o ajustes en los ventiladores en caso de emergencia. Como desventajas de los sistemas automáticos, puede mencionarse su coste inicial elevado debido a la inversión en sensores, software y equipos de automatización. Sin embargo, cabe señalar que los costes a largo plazo suelen disminuir por la optimización energética y el mantenimiento predictivo. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 73 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7.5. APLICACIÓN A LAS ALTERNATIVAS CONSIDERADAS 7.5.1. OpEx Costes operativos de instalación y mantenimiento Se asumen las siguientes condiciones: Que la tubería se instala en tramos de 20m, por lo que se instalarán teóricamente 25 secciones de tubería para hacer los 500m totales. Que se va a dañar el 20% de la tubería durante la ejecución de los trabajos, por lo tanto, se necesitará instalar 30 secciones en lugar de las 25 teóricas. Para la instalación de una sección, se asume 3 operarios (2 instaladores más 1 ayudante), así como una plataforma elevadora. Se estiman los siguientes tiempos promedio para la instalación de un tramo de galería de 20 metros con 3 operarios (a mayor diámetro, mayor peso y mayor dificultad de instalación): ◦CASO 1: Tubo 1200 mm diámetro: 4 horas , en total 12 h/hombre ◦CASO 2: Tubo 1400 mm diámetro: 4,5 horas, en total 13,5 h/hombre ◦CASO 3: Tubo 1600 mm diámetro: 5 horas, en total 15 h/hombre Entonces, para 30 tramos y 3 operarios, considerando los ratios unitarios anteriormente mencionado, se obtiene el tiempo estimado total dedicado a instalación de tubería por la cuadrilla completa: CASO 1: Tubo 1200 mm diámetro: 360 h/hombre CASO 2: Tubo 1400 mm diámetro: 405 h/hombre CASO 3: Tubo 1600 mm diámetro: 450 h/hombre Para un coste unitario de 50 EUR/h, se obtiene la siguiente relación de costes de personal para instalacion: CASO 1: Tubo 1200 mm diámetro: 18.000,00 EUR CASO 2: Tubo 1400 mm diámetro: 20.250,00 EUR CASO 3: Tubo 1600 mm diámetro: 22.500,00 EUR Se estima el coste de personal para mantenimiento y reparaciones que cuantifico de un 10% del coste de la instalación: DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 80 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR CASO 1: Tubo 1200 mm diámetro: 1.800,00 EUR CASO 2: Tubo 1400 mm diámetro: 2.025,00 EUR CASO 3: Tubo 1600 mm diámetro: 2.250,00 EUR En resumen el total de costes operativos de personal y maquinaria para instalación y mantenimiento/reparación de la tubería de ventilación es de: CASO 1: Tubo 1200 mm diámetro: 23.250,00 EUR CASO 2: Tubo 1400 mm diámetro: 25.725,00 EUR CASO 3: Tubo 1600 mm diámetro: 28.200,00 EUR Costes operativos por consumo eléctrico La página siguiente muestra las tablas de cálculo del consumo eléctrico en función del avance del túnel desde el origen, el diámetro de la tubería, caudal requerido en el frente, fugas del conducto y caudal del ventilador, presión, velocidad de giro, rendimiento del ventilador, potencia en el eje, rendimiento del variador, potencia absorbida y el consecuente consumo de energía por tramo, y acumulado. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 81 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Tabla 2: Cálculo del costo operativo por consumo eléctrico DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 82 CASO 1: tubería 1200mm diámetro Tubería de ventilación Ventilador seleccionado: Longitud 500m Modelo 2xZVN 1-14-90/4 Diámetro 1200mm Número ventiladores en serie 2- Tipo Flexible soplante Diámetro 1400mm Coeficiente de fricción 0,015- Potencia nominal instalada 2x90kW Coeficiente de fugas 5 mm2/m2 Número de polos del motor 4- Punto de diseño (más restrictivo): Velocidad nominal de giro del motor 1500rpm Caudal 32,84m3/s Presión total en el ventilador 3720Pa Densidad del aire 1,2kg/m3 Número de jornadas Diámetro tubería [ m ] [ - ] [ mm ] [ m3/s ] [ m3/s ] [ m3/s ] [ Pa ] [ Pa ] [ rpm ] [ % ] [ kW ] [ % ] [ kW ] [ kWh] [ kWh ] [ EUR ] 100 12,5 1200 32,31 32,38 0,07 1103 1229 1218 64,7 61,5 71,5 21.455,93 21.455,93 5.256,70 200 12,5 1200 32,31 32,47 0,16 1719 1845 1293 72,3 82,9 93,1 27.930,04 49.385,97 6.842,86 300 12,5 1200 32,31 32,58 0,27 2340 2466 1358 76,1 105,6 113,5 34.056,33 83.442,30 8.343,80 400 12,5 1200 32,31 32,70 0,39 2965 3091 1430 77,7 130,1 136,9 41.079,33 124.521,63 10.064,44 500 12,5 1200 32,31 32,84 0,53 3594 3720 1500 78,7 155,2 161,7 48.508,89 173.030,52 11.884,68 TOTALES 500 62,5 173.030,52 42.392,48 * Coste energético unitario [ EUR/kWh ] 0,245 Avance desde origen Caudal requerido en el frente Caudal ventilador Estimación fugas conducto Pérdidas de carga conducto Presión total ventilador Velocidad de giro Rendimiento ventilador Potencia en el eje Rendimiento variador Potencia absorbida de la red Consumo por tramo ejecución Consumo acumulado Coste energético por tramo 86 % 89 % 93 % 95 % 96 % CASO 2: tubería 1400m m diámetro Tubería de ventilación Ventilador seleccionado: Longitud 500m Modelo ZVN 1-14-75/4 Diámetro 1400mm Núm ero ventiladores en serie 1 - Tipo Flexible soplante Diám etro 1400mm Coeficiente de fricción 0,015- Potencia nom inal instalada 75kW Coeficiente de fugas 5 mm2/m2 Número de polos del m otor 4 - Punto de diseño (m ás restrictivo): Velocidad nom inal de giro del m otor 1500rpm Caudal 32,74m3/s Presión total en el ventilador 1756Pa Densidad del aire 1,2kg/m3 Número de jornadas Diám etro tubería [ m ] [ - ] [ mm ] [ m3/s ] [ m3/s ] [ m3/s ] [ Pa ] [ Pa ] [ rpm ] [ % ] [ kW ] [ % ] [ kW ] [ kW h] [ kW h ] [ EUR ] 100 12,5 1400 32,31 32,37 0,06 548 607 1237 63,4 31,0 36,0 10.810,98 10.810,98 2.648,69 200 12,5 1400 32,31 32,44 0,13 833 892 1306 71,1 40,7 45,7 13.718,52 24.529,50 3.361,04 300 12,5 1400 32,31 32,53 0,22 1119 1178 1370 75,1 51,0 54,9 16.459,92 40.989,42 4.032,68 400 12,5 1400 32,31 32,63 0,32 1407 1466 1434 77,1 62,0 65,3 19.592,70 60.582,12 4.800,21 500 12,5 1400 32,31 32,74 0,43 1697 1756 1500 78,3 73,4 76,5 22.945,18 83.527,30 5.621,57 TOTALES 500 62,5 83.527,30 20.464,19 * Coste energético unitario [ EU R/kW h ] 0,245 Avance desde origen Caudal requerido en el frente Caudal ventilador Estim ación fugas conducto Pérdidas de carga conducto Presión total ventilador Velocidad de giro Rendim iento ventilador Potencia en el eje Rendim iento variador Potencia absorbida de la red Consum o por tram o ejecución Consum o acum ulado Coste energético por tram o 86 % 89 % 93 % 95 % 96 % CASO 3: tubería 1600mm diámetro Tubería de ventilación Ventilador seleccionado: Longitud 500m M odelo ZV N 1-14-45/4 Diámetro 1600mm Número ventiladores en serie 1 - Tipo Flexible soplante Diám etro 1400mm Coeficiente de fricción 0,015- Potencia nom inal instalada 45kW Coeficiente de fugas 5 mm 2/m2 Núm ero de polos del m otor 4 - Punto de diseño (más restrictivo): Velocidad nom inal de giro del m otor 1500rpm Caudal 32,67m3/s Presión total en el ventilador 962Pa Densidad del aire 1,2kg/m 3 Núm ero de jornadas Diámetro tubería [ m ] [ - ] [ m m ] [ m 3/s ] [ m 3/s ] [ m 3/s ] [ Pa ] [ Pa ] [ rpm ] [ % ] [ kW ] [ % ] [ kW ] [ kW h] [ kW h ] [ EU R ] 100 12,5 1600 32,31 32,36 0,05 300 374 1340 64,00 18,9 22,0 6.596,64 6.596,64 1.616,18 200 12,5 1600 32,31 32,42 0,11 446 520 1380 68,65 24,6 27,6 8.277,65 14.874,29 2.028,02 300 12,5 1600 32,31 32,49 0,18 593 667 1418 72,23 30,0 32,3 9.678,24 24.552,53 2.371,17 400 12,5 1600 32,31 32,58 0,27 740 814 1459 75,25 35,2 37,1 11.129,27 35.681,80 2.726,67 500 12,5 1600 32,31 32,67 0,36 888 962 1500 77,60 40,5 42,2 12.656,47 48.338,27 3.100,83 TOTALES 500 62,5 48.338,27 11.842,88 * Coste energético unitario [ EUR/kW h ] 0,245 Avance desde origen Caudal requerido en el frente Caudal ventilador Estim ación fugas conducto Pérdidas de carga conducto Presión total ventilador Velocidad de giro Rendim iento ventilador Potencia en el eje Rendimiento variador Potencia absorbida de la red Consum o por tram o ejecución Consum o acumulado Coste energético por tram o 86 % 89 % 93 % 95 % 96 % UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7.5.2. Resumen costes OpEx A partir de los costes de instalación y mantenimiento, así como de los costes de consumo eléctrico, se obtienen los resultados que a continuación se reseñan: Consumo eléctrico Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm 23.250,00 42.392,48 65.642,48 CASO 2 TUBO 1400 mm 25.725,00 20.464,19 46.189,19 CASO 3 TUBO 1600 mm 28.200,00 11.842,88 40.042,88 Instalación y mantenimiento Tabla 3: Resumen de costes OpEx 7.5.3. Costes de capital (CapEx) Se detallan a continuación los costes para las partidas más relevantes del capítulo de inversiones. Modelo ventilador Costo unitario Unidades Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm 2xZVN 1-14-90/4 30.292,70 1 30.292,70 CASO 2 TUBO 1400 mm ZVN 1-14-75/4 21.436,17 1 21.436,17 CASO 3 TUBO 1600 mm ZVN 1-14-45/4 19.748,81 1 19.748,81 Tabla 4: Coste de inversión en ventiladores Variador frecuencia Costo unitario Unidades Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm Maestro-escl. 90 kW 16.857,14 1 16.857,14 CASO 2 TUBO 1400 mm Maestro 75 kW 6.685,71 1 6.685,71 CASO 3 TUBO 1600 mm Maestro 45 kW 5.942,86 1 5.942,86 Tabla 5: Coste de inversión en armarios eléctricos Tipo tubería Costo unitario Unidades Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm PVC601FR-120 15,84 500 7.920,00 CASO 2 TUBO 1400 mm PVC601FR-140 18,11 500 9.056,67 CASO 3 TUBO 1600 mm PVC601FR-160 20,37 500 10.184,17 Tabla 6: Coste de inversión en tubería de ventilación a instalar Tipo tubería Costo unitario Unidades Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm PVC601FR-120 15,84 100 1.584,00 CASO 2 TUBO 1400 mm PVC601FR-140 18,11 100 1.811,33 CASO 3 TUBO 1600 mm PVC601FR-160 20,37 100 2.036,83 Tabla 7: Coste de inversión en tubería de ventilación de repuesto DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 83 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 7.5.4. Resumen costes CapEx De lo anterior se obtiene la siguiente tabla resumen comparativa de costes: Ventiladores Armarios eléctricos Tubería Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm 30.292,70 16.857,14 9.504,00 56.653,84 CASO 2 TUBO 1400 mm 21.436,17 6.685,71 10.868,00 38.989,89 CASO 3 TUBO 1600 mm 19.748,81 5.942,86 12.221,00 37.912,67 Tabla 8: Resumen de costes CapEx 7.5.5. Comparativa OpEx – CapEx Se han obtenido los siguientes coster. Hay que tener en cuenta que es un análisis simplificado que puede servir en un horizonte de ingeniería conceptual o básica. Como era de prever el coste de la opción con menor diámetro es la más costosa, aunque se debe tener en cuenta las limitaciones geométricas que aplican en los casos más económicos, dado que requiere una geometría de túnel sensiblemente mayor para permitir una adecuada operación en la mina. Costo total CASO 1 TUBO 1200 mm 122.296,32 CASO 2 TUBO 1400 mm 85.179,07 CASO 3 TUBO 1600 mm 77.955,55 Tabla 9: Resumen comparativo de costes OpEx + CapEx 7.6 Análisis de retorno de la inversión (ROI) El análisis de retorno de la inversión (Return Of Investment o ROI) se realizará en tres horizontes temporales: Corto plazo (1-2 años) Medio plazo (3-5 años) Largo plazo (más de 5 años) En cada caso se va a considerar el total de CapEx y de OpEx que se ha indicado anteriormente. La expresión a utilizar es la siguiente: ROI = [(2 x OpEx + CapEx) – CapEx] / CapEx DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 84 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Sobre la base de dicha expresión calculamos en los diferentes horizontes temporales obteniendo los siguientes resultados. Plazo Caso 1 - 1200 mm Caso 2 - 1400 mm Caso 3 - 1600 mm Corto (2 Años) CapEx: €56,653.84 OpEx (2 años): €84,784.96 Costo Total: €141,438.80 CapEx: €38,989.88 OpEx (2 años): €40,928.38 Costo Total: €79,918.26 CapEx: €37,912.67 OpEx (2 años): €23,685.76 Costo Total: €61,598.43 Medio (5 Años) CapEx: €56,653.84 OpEx (5 años): €211,962.40 Costo Total: €268,616.24 CapEx: €38,989.88 OpEx (5 años): €102,320.95 Costo Total: €141,310.83 CapEx: €37,912.67 OpEx (5 años): €59,214.40 Costo Total: €97,127.07 Largo (10 Años) CapEx: €56,653.84 OpEx (10 años): €423,924.80 Costo Total: €480,578.64 CapEx: €38,989.88 OpEx (10 años): €204,641.90 Costo Total: €243,631.78 CapEx: €37,912.67 OpEx (10 años): €118,428.80 Costo Total: €156,341.47 Tabla 10: Análisis de retorno de la inversión Del análisis realizado se deriva la siguiente conclusión: 2 Años: La tubería de 1600 mm es la opción más económica. 5 Años: 1600 mm sigue siendo la opción más rentable. 10 Años: 1600 mm continúa ofreciendo el mejor ROI gracias a sus menores costos operativos acumulados. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 85 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 8. MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN Se desarrolla el capítulo con un enfoque en el uso de equipos de protección individual (EPI) y los protocolos de actuación en caso de emergencia. Estos aspectos son fundamentales para garantizar la seguridad de los trabajadores en minas subterráneas y deben cumplir con las normativas vigentes. 8.1. EQUIPOS DE PROTECCIÓN INDIVIDUAL (EPI) Los Equipos de Protección Individual (EPI) son elementos esenciales para proteger a los trabajadores frente a los riesgos específicos a los que se exponen en el entorno de trabajo en minas subterráneas. En la minería, los EPI deben cumplir con los estándares de seguridad establecidos en el Real Decreto 773/1997, que regula el uso de estos equipos según las condiciones de riesgo. Los tipos de EPI más relevantes en minería subterránea se describen en los epígrafes sucesivos. 8.1.1. Protección respiratoria Los trabajadores de minas subterráneas están expuestos a gases tóxicos (CO, CO ,₂ H S), polvo respirable y otros contaminantes. Para proteger el sistema respiratorio, se₂ emplean mascarillas con filtros de alta eficiencia, capaces de filtrar partículas finas y gases tóxicos. En zonas de alta exposición a gases o donde los niveles de oxígeno sean bajos, es necesario el uso de equipos de respiración autónoma (ERA). Estos equipos proporcionan aire limpio en caso de emergencia, especialmente durante evacuaciones. 8.1.2. Protección ocular y facial Para evitar daños por partículas suspendidas en el aire, explosiones o manipulación de productos químicos, se utilizan gafas de seguridad y, en algunas tareas específicas, pantallas faciales. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 86 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 8.1.3. Protección auditiva En entornos mineros, los niveles de ruido, especialmente cerca de maquinaria pesada o explosiones, pueden ser dañinos para la audición. Los protectores auditivos como tapones o auriculares de protección están diseñados para reducir la exposición a ruidos que superan los 85 dB. 8.1.4. Protección corporal Los trajes ignífugos y ropa de alta visibilidad son obligatorios en zonas donde existe riesgo de incendio o explosión, especialmente en minas con presencia de grisú. Además, el uso de chalecos reflectantes es crucial para mejorar la visibilidad en condiciones de poca luz. 8.1.5. Protección contra caídas En galerías inclinadas o durante operaciones en pozos verticales, se utilizan arneses de seguridad y sistemas anticaídas. Estos dispositivos son esenciales para minimizar los riesgos de caídas desde alturas en operaciones subterráneas. 8.1.6. Calzado y protección de las manos El calzado de seguridad debe tener puntera reforzada y plantillas antiperforación para proteger a los trabajadores de objetos punzantes o pesados. Asimismo, se utilizan guantes resistentes a cortes, perforaciones y productos químicos. 8.1.7. Normativa aplicable a los EPI El Real Decreto 773/1997 establece las disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual. Según la Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales, es responsabilidad del empleador proporcionar EPI adecuados y garantizar su uso correcto mediante formación y supervisión 8.2. PROTOCOLOS DE ACTUACIÓN ANTE EMERGENCIAS En una mina subterránea, los protocolos de actuación en caso de emergencia son fundamentales para minimizar los riesgos para los trabajadores durante incidentes DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 87 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR como acumulación de gases tóxicos o inflamables, incendios o derrumbes. Estos protocolos deben estar claramente definidos y ser conocidos por todos los trabajadores. La Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales y el Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera (RGNBSM) establecen que todas las minas deben contar con un plan de evacuación que incluya rutas seguras y medios para evacuar a los trabajadores. Los siguientes epígrafes describen los elementos clave de los protocolos de emergencia. 8.2.1. Detección y alarma Los sistemas de detección automática de gases, como grisuómetros y detectores de CO y H S, son cruciales para alertar de la acumulación de gases peligrosos en el aire.₂ Cuando los niveles de gas alcanzan los límites establecidos por la normativa (como el 0.80% de metano en los retornos de aire principales), se activa una alarma que avisa a todo el personal. Las alarmas pueden ser sonoras y visuales, y deben estar ubicadas en puntos clave de la mina, así como en áreas donde el personal esté concentrado. 8.2.2. Evacuación En caso de que se detecten condiciones peligrosas como altos niveles de gases explosivos o un incendio, se deben seguir protocolos de evacuación establecidos. Las rutas de escape deben estar claramente señalizadas y libres de obstáculos, y los trabajadores deben ser entrenados para llegar rápidamente a los puntos de evacuación. Estas rutas deben estar bien iluminadas y señalizadas mediante luces de emergencia, indicadores visibles y letreros luminosos que guíen a los trabajadores hacia las salidas o cámaras de refugio. Las salidas de emergencia deben estar correctamente distribuidas a lo largo de las galerías y conectadas a cámaras de refugio o a la superficie mediante pozos de ventilación. 8.2.3. Uso de equipos de respiración de emergencia En situaciones donde se detecten niveles peligrosamente bajos de oxígeno o altas concentraciones de gases tóxicos, los trabajadores deben emplear equipos de DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 88 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR respiración autónoma (ERA) o máscaras de escape equipadas con filtros especiales que permitan la evacuación segura. 8.2.4. Cámaras de refugio Las cámaras de refugio son instalaciones subterráneas especialmente diseñadas para albergar a los trabajadores en caso de que una evacuación inmediata no sea posible. Estas cámaras están selladas contra la entrada de gases peligrosos y están asimismo equipadas con: Suministro de aire respirable, ya sea mediante sistemas de ventilación autónomos o cilindros de oxígeno. Alimentos, agua y suministros médicos para sostener a los trabajadores mientras esperan el rescate. Sistemas de comunicación que permiten el contacto con los equipos de rescate en la superficie. 8.2.6. Escaleras y pozos de emergencia Las minas deben contar con escaleras de emergencia en pozos verticales y pozos de ventilación que permitan una rápida evacuación hacia la superficie en caso de emergencia. Estas escaleras deben estar en condiciones óptimas y ser inspeccionadas regularmente. 8.2.7. Vehículos de evacuación En minas extensas o con galerías muy largas, se deben emplear vehículos de evacuación especiales que puedan transportar rápidamente a los trabajadores hacia las salidas. Estos vehículos deben estar disponibles en puntos estratégicos y ser fáciles de acceder. 8.2.8. Comunicación y coordinación Durante una emergencia, es fundamental mantener una comunicación constante entre el personal subterráneo y los equipos de rescate en la superficie. Las minas deben estar equipadas con sistemas de comunicación que funcionen incluso durante fallos de energía, como radios de frecuencia especial o teléfonos de mina. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 89 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR 10. BIBLIOGRAFÍA [1] Manual de Ventilación de Minas (2011). Vicente Luque Cabal. Asociación de Investigación Tecnológica de Equipos Mineros AITEMIN. [2] Manual de Ventilación de Minas, Túneles y Espacios Subterráneos (2021). Carlos Sierra Fernández. Grupo de Proyectos de Ingeniería. ETSI Minas y Energía. UPM. [3] Handbook of Tunnel Engineering: Volume I: Structures and Methods (2013). Bernhard Maidl, Markus Thewes, Ulrich Maidl. Chapter 8: Ventilation During the Construction Phase. Wiley Publishers. [4] Introducción a la Ventilación Minera (2019). Juan Herrera Herbert. Departamento de Ingeniería Geológica y Minera. ETSI Minas y Energía. UPM. [5] Norma SIA-196 – Recomendación sobre Ventilación en Minería Subterránea (1998). Schweizer Ingenieur – und Architekten – Verein: SIA Empfehlung 196: Baulüftung im Untertagebau. [6] Guía Metodológica de Seguridad para Proyectos de Ventilación Minera (2008). Dpto de Seguridad Minera. Servicio Nacional Chileno de Geología y Minería. [7] Determinación de la distribución de tamaño y número de partículas provenientes de motores diesel operando en tráfico real con equipos embarcados (2014). José Rafael Rubio Caldera. Tesis Doctoral. Department of Mechanical Engineering, Polytechnic University of Madrid. [8] Diseño de Ventilación en la Masa Elvira de Mina Sotiel (2021). Javier Llorente Campos. TFM Máster Ingeniería de Minas. Universidad de Huelva. [9] Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales: BOE-A-1995-24292. [10] Real Decreto 863/1985, Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera (RGNBSM): BOE-A-1985-10836. [11] Instrucción Técnica Complementaria ITC 05.0.05 sobre Inspección y Vigilancia: Gasometría, Aforos y Libros de Ventilación. [12] Instrucción Técnica Complementaria ITC 04.7.03 – Ventiladores Principales y Puertas. [13] Informe sobre Siniestralidad Minera 2022 (2023). Comisión de Seguridad Minera. Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 96 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR [14] Apuntes del Máster de Seguridad Industrial y Prevención de Riesgos Laborales. Higiene Industrial. Tema I. [15] Apuntes del Máster de Seguridad Industrial y Prevención de Riesgos Laborales. Ventilación. Tema I. [16] Tipos de leyes y normas en España: jerarquía normativa. Aportación obtenida de https://dudaslegislativas.com/administracion/tipos-de-leyes-y-jerarquia- normativa/#google_vignette [17] Portal Andaluz de la Minería: Portal Andaluz de la Minería - Junta de Andalucía DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 97 UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR ANEXO 1. PUNTOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA RELACIÓN DE CASOS 1. Caso 1 – Tubería de 1200 m sin variador. 2. Caso 2 – Tubería de 1200 m con variador. 3. Caso 3 – Tubería de 1400 m sin variador. 4. Caso 4 – Tubería de 1400 m con variador. 5. Caso 5 – Tubería de 1600 m sin variador. 6. Caso 6 – Tubería de 1600 m con variador. DISEÑO DE UN SISTEMA DE VENTILACIÓN EN UNA GALERÍA MINERA Y PREVENCIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES ASOCIADOS | 98