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UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PAR CAMPUS UNIVERSITRIO DE MARAB/PA

FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO AMBIENTE

SIMULAO DA VENTILAO EM MINA SUBTERRNEA

HERMESON CARNEIRO RODRIGUES

MARAB PA JULHO DE 2014



MARAB PA JULHO DE 2014

Trabalho de Concluso de Curso (TCC) apresentado Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente (FEMMA) da Universidade Federal do Sul e Sudeste do Par (UNIFESSPA), em cumprimento s exigncias para obteno do grau de Bacharel em Engenharia de Minas e Meio Ambiente.

Orientador: Prof. Doutorando Evaldiney Ribeiro Monteiro Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente (FEMMA).

Dados Internacionais de Catalogao-na-Publicao (CIP) Biblioteca II da UNIFESSPA. CAMAR, Marab, PA

Rodrigues, Hermeson Carneiro

Simulao da ventilao em mina subterrnea/ Hermeson Carneiro Rodrigues ; orientador, Evaldiney Ribeiro Monteiro. 2014. Trabalho de Concluso de Curso (Graduao) - Universidade Federal do Sul e Sudeste do Par, Campus Universitrio de Marab, Instituto de Geocincias e Engenharias, Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente, Curso de Engenharia de Minas e Meio Ambiente, Marab, 2014. 1. Minerao subterrnea. 2. Ventilao - Simulao por computador. 3. Engenharia de minas - Programas de computador. I. Monteiro, Evaldiney Ribeiro, orient. II. Ttulo.

CDD: 22. ed.: 622.23



Data da Aprovao: ____/____/____

Conceito: ____________

Banca Examinadora:

Prof. Doutorando Evaldiney Ribeiro Monteiro (Orientador) (Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente FEMMA/UNIFESSPA)

Prof. Doutorando Dennin Toms Quispe Arapa (Membro) (Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente FEMMA/UNIFESSPA)

Prof. Eng. Manoel Ferreira Nunes (Membro)

(Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente FEMMA/UNIFESSPA)

Trabalho de Concluso de Curso (TCC) apresentado Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente (FEMMA) da Universidade Federal do Sul e Sudeste do Par (UNIFESSPA), em cumprimento s exigncias para obteno do grau de Bacharel em Engenharia de Minas e Meio Ambiente.

Orientador: Prof. Doutorando Evaldiney Ribeiro Monteiro Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente (FEMMA).

Aos meus pais, Reginaldo e Izanete, meus maiores incentivadores, e minha filha, Helosa Helena, com amor e dedicao.

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus pela oportunidade concedida de cursar este curso e pelo dom

do conhecimento, o qual me permitiu chegar at aqui.

Aos meus pais, Reginaldo e Izanete, que me deram a educao, incentivo e

apoio necessrios durante todo esse percurso.

UFPA, em especial ao Professor Denilson Costa, pela confiana depositada,

com a oportunidade de participar do Programa Cincia Sem Fronteiras na Universit di

Bologna, Itlia.

Ao Prof. Doutorando Evaldiney Ribeiro Monteiro, pelos conhecimentos

repassados durante a realizao desde trabalho.

Aos Professores Dennin Arapa e Manoel Nunes pelo apoio concedido nos

meus momentos de dvida, e por aceitarem participar da minha banca.

Ao Professor Antonio Carlos Vallinoto por todo apoio concedido para que a

minha viagem Itlia desse certo.

A me Italiana Maura Pazzi, por ter sido uma verdadeira me, alm de

profissional da UNIBO, por ter cuidado de mim enquanto fiquei doente e minha famlia

estava longe.

Ao Professor Stefano Bondu da Universit di Bologna por ter sido alm de

Professor, um verdadeiro amigo, sempre se mostrando presente, e por ter ajudado na

realizao da atividade de estgio no exterior.

Aos Professores, Paolo Berry, Alessandra Bonoli, Ezio Mesini, pelos

conhecimentos repassados e pela amizade.

Aos amigos Thiago Celso, Lucas Bicelli, Mayara Lisboa e Izabella Vargens

pelos momentos de companheirismo, felicidades e tristezas compartilhados, de onde

pude tirar muitas lies de vida.

Aos estudantes Jailson Sousa e Thas Maia pelo apoio na realizao do trabalho

experimental.

Ao colega de curso Ailton Pantoja pelo desenho da maquete no AutoCad.

Aos meus colegas de turma que participaram da minha vida durante esses cinco

anos de graduao.

Aos Professores da Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente pelos

ensinamentos repassados.

todos os profissionais da UNIBO.

A todos os brasileiros que atravs do seu trabalho contriburam para minha

formao acadmica.

A todos que me incentivaram e me deram apoio para nunca desistir dos meus

objetivos.

MUITO OBRIGADO!

RESUMO

As operaes realizadas para a escavao de uma mina subterrnea produzem,

poeira, material particulado, liberam gases nocivos por conta das detonaes, alm das

partculas geradas pelos meios de transporte, produzidas atravs da combusto

incompleta do diesel. Desta forma em toda mina subterrnea deve haver sistemas de

ventilao a fim de fornecer um fluxo de ar limpo no ambiente de trabalho para que a

realizao deste ocorra com eficincia e segurana desejveis. Para a otimizao e

anlise destes sistemas, atualmente, utilizam-se tcnicas computacionais. Neste

contexto, este trabalho apresenta as etapas para o desenvolvimento de um modelo de

simulao do sistema de ventilao, no programa Ventsim, de uma maquete de uma

mina subterrnea.

Palavras-Chave: ventilao, modelo computacional e mini-mina.

ABSTRACT

The operations carried out an excavation of an underground mine producing,

dust, particulate matter, release harmful gases because of the detonations, besides the

particles generated by transport, produced by incomplete combustion of diesel. Thus,

every underground mine ventilation systems should be to provide a flow of clean air in

the work environment for that achievement this occurs with efficiently and safely

desirable. For the analysis and optimization of these systems currently use

computational techniques. In this context, this paper presents the steps for developing a

simulation model of the ventilation system in Ventsim program, of a mockup of an

underground mine.

Key words: ventilation, computational model and mockup of mine.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1. Curva caracterstica de uma galeria. .................................................................... 23

Figura 2. Construo do nvel 1 e rampa 1 da maquete. ...................................................... 26

Figura 3. Construo do nvel 2 da maquete. ...................................................................... 27

Figura 4. Construo da rampa 2 e nvel 3 da maquete. ...................................................... 27

Figura 5. Construo do nvel 3 e chamin da maquete. ..................................................... 27

Figura 6. Ventiladores da mina. .......................................................................................... 28

Figura 7. Viso geral da mina maquete. .............................................................................. 28

Figura 8. Barra de tarefas do programa Ventsim. ................................................................ 31

Figura 9. Janela de insero de caractersticas do circuito. .................................................. 31

Figura 10. Item database do menu principal do software. ................................................... 32

Figura 11. Janela de edio para os nveis estabelecidos no diagrama de ventilao. .......... 32

Figura 12. Janela de edio e insero de dados sobre os ventiladores. ............................... 32

Figura 13. Janela de visualizao dos trechos estabelecidos com suas caractersticas. ......... 33

Figura 14. Circuito de ventilao construdo no VentSim com uma simulao de fluxo de ar.

.......................................................................................................................................... 34

Figura 15. Simulao do circuito de ventilao da mina maquete apresentando a vazo

constante. ........................................................................................................................... 36

Figura 16. Validao entre os valores de velocidade medidos e simulados. ........................ 36

Figura 17. Erro relativo dos dados medidos e simulados..................................................... 37

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Fatores de perdas de carga recomendados. .......................................................... 25

Tabela 2. Comparao dos valores de velocidade medidos e simulados. ............................. 35

SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................................... 14

2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 15

3 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................. 15

.... 17 3.1 CONDICIONANTES DA ENGENHARIA AMBIENTAL SUBTERRNEA

............................................................ 19 3.2 CIRCUITO BSICO DE VENTILAO

3.2.1 Circuito Principal ................................................................................................... 20

3.2.2 Circuito secundrio ................................................................................................. 20

........................ 21 3.3 FERRAMENTAS PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL

4 MATERIAIS E MTODOS................................................................................. 26

......................................................................... 26 4.1 CONSTRUO DA MAQUETE

............................................................................. 30 4.2 EXECUO DAS MEDIDAS

........................................ 30 4.3 CONSTRUO DO MODELO COMPUTACIONAL

5 RESULTADOS E DISCUSSES ........................................................................ 35

6 CONCLUSO ...................................................................................................... 39

7 RECOMENDAES ........................................................................................... 40

REFERNCIAS ............................................................................................................... 41

14

1 INTRODUO

A ventilao por vezes descrita como o sistema sanguneo de uma mina. As

galerias que transportam ar limpo, como sendo as artrias, transportam oxignio para as reas

de trabalho e os tubos de ventilao sendo as veias, conduzem os poluentes para serem

expulsos para a atmosfera exterior. Sem um sistema de ventilao eficaz, nenhuma instalao

subterrnea que requer pessoal para trabalhar na mesma, pode operar com segurana

(MCPHERSON, 1993).

O massacre de homens, mulheres e crianas, que ocorreu nas minas de carvo da

Gr-Bretanha durante os sculos XVIII e XIX resultou na teoria e na arte de ventilao

tornando-se uma cincia primria de minerao. O sucesso da pesquisa nesta rea tem

produzido enormes melhorias nas condies ambientais subterrneas. Perdas de vida

atribuveis ventilao inadequada agora, felizmente, uma ocorrncia relativamente

infreqente. Desmoronamentos, ao invs de fatores relacionados ventilao, tornaram-se a

causa mais comum de mortes e leses em minas subterrneas. As melhorias na ventilao

tambm permitiram o melhoramento da produtividade nas minas. Nem as antigas, nem to

pouco, as mais avanadas mquinas motorizadas poderiam ter sido introduzidas no subsolo,

sem um suprimento adequado de ar. Os sistemas de ventilao esto em uma contnua

modificao. Sua funo na mina permite a realizao de escavao em rocha em quantidades

cada vez maiores e em maiores profundidades tambm. Aquela, por sua vez, produz mais

poeira, gases e calor, resultando em uma demanda ainda melhor pelo controle das condies

ambientais do ambiente subterrneo (MCPHERSON, 1993).

Fica patente a necessidade inquestionvel do aumento do fornecimento de ar de

ventilao na quantidade e qualidade adequadas. No passado, a avaliao e as anlises das

redes de ventilao eram restringidas pela enorme quantidade e complexidade de clculos

necessrios para se determinar os parmetros de controle (PINTO, COSTA, et al.).

At o advento de programas de simulao computacional, que requerem a entrada de

centenas de dados necessrios para rodar a simulao de ventilao, no era incomum incorrer

em erros, muitas vezes graves e, com isso, afetar no s a qualidade do ar devido

inadequaes, como tambm a parte econmica do empreeendimento. Isso quase sempre

levava ventilao deficiente ou necessidade de correes e adaptaes de porte durante a

vida do empreendimento (GONALVES, PORTES, et al., 2009).

15

A anlise direta (tradicional) de circuitos de ventilao, portanto, muito limitada,

devido complexidade e extenso dos clculos envolvidos. Hoje, a anlise e otimizao de

sistemas de ventilao envolve o uso de tcnicas de simulao computacional. Desta forma,

este trabalho apresenta as etapas para a construo de um modelo de simulao computacional

do sistema de ventilao de uma mini-mina maquete, no software Ventsim, na sua verso para

estudantes (GONALVES, PORTES, et al., 2009).

2 OBJETIVOS

2.1 GERAL

Dimensionar o sistema de ventilao de uma mina subterrnea em forma de maquete.

2.2 ESPECFICOS

Desenvolver o sistema de ventilao de uma mini-mina subterrnea.

Simular os dados da ventilao no software Ventsim e compar-los com os dados reais

obtidos atravs de medidas com anemmetro na maquete.

Avaliar se os dados obtidos de vazo e velocidade do ar atendem aos requisitos da NR 22.

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 A MINERAO E O CONTROLE DO AMBIENTE SUBTERRNEO

Atualmente percebem-se tendncias na indstria da minerao que demonstram que

as minas subterrneas tendem a ser mais profundas, de acesso muito mais difcil, o que

aumenta os riscos do negcio. Por sua vez, as lavras em maiores profundidades exigem

tcnicas mais avanadas de minerao que propiciam o aumento de produtividade, em um

esforo para alcanar margens satisfatrias de lucro. Inevitavelmente, a sofisticao dos

mtodos de lavra requer um aumento substancial da mecanizao das atividades operacionais

de lavra e desmonte. Assim, os veculos movidos a diesel so eleitos os preferidos por sua

flexibilidade operacional e seu alto rendimento (MACHADO, 2011).

16

Um dos maiores impactos na ventilao das minas subterrneas foi a introduo de

equipamentos a diesel. Porm, esses equipamentos introduziram novos riscos relacionados

com os subprodutos de sua combusto em ambientes confinados, os quais podem tornar

irrespirvel a atmosfera no interior das minas ou mesmo danosa sade dos trabalhadores,

caso os controles adequados no sejam levados em considerao.

As empresas de minerao esto agora mais conscientes das presses globais na

manuteno do padro de ventilao exigido pela legislao, bem como dos padres internos

da prpria empresa. Esses padres so obtidos atravs do dimensionamento e da implantao

correta da quantidade de ar necessria para a diluio dos subprodutos, bem como da

aquisio dos veculos com os menores ndices de emisso de elementos particulados e gases,

e da implementao correta da ventilao que satisfaa os padres de segurana e sade

estabelecidos pela legislao.

Outro fator relevante a crescente demanda para simular os vrios cenrios possveis

das condies de ventilao, utilizando-se mtodos de minerao mais eficientes, que

propiciem maior retorno dos investimentos, em um tempo mais curto, sem afetar a qualidade

do ambiente subterrneo, seja em condies normais de operao, seja em condies de

emergncias. Isso requer o planejamento de rotas de fugas, em que as pessoas ali presentes

possam ser retiradas de forma ordenada e segura. Cada tipo de mina tem diferentes exigncias

de ventilao em termos de seu plano de lavra, layout, exigncias legais, demandas de

produo ao longo de sua vida til e tipo de mineral a ser extrado. Esses estudos de cenrios

permitem prever com alto grau de preciso e com uma antecedncia satisfatria as demandas

prticas (MACHADO, 2011).

Os sistemas de ventilao de uma mina devem ser atualizados, redimensionados

medida que mudam as condies operacionais inicialmente consideradas.

Existem trs desafios que afetam as operaes em minas subterrneas: primeiro, as

minas esto se tornando cada vez mais profundas; segundo, elas esto cada vez mais

mecanizadas; terceiro, os requisitos legais esto se tornando cada vez mais exigentes.

Do ponto de vista de ventilao, os efeitos principais da profundidade so o aumento

do calor e a umidade, que levam as pessoas a concentrar sua ateno e a se tornar menos

conscientes dos sinais visuais ao seu redor. Essas redues levam eventualmente a um ponto

em que o dficit de ateno tal que compromete a segurana e a sade dos trabalhadores

com o aumento potencial para acidentes graves (GONALVES, PORTES, et al., 2009).

17

Comprovadas as reservas em profundidade, existe a preocupao da mina com a

operacionalidade do mtodo de lavra e o posterior transporte do minrio e estril gerados, que

exigem controles condizentes das condies ambientais. Os controles por excelncia em

minas subterrneas so obtidos via ventilao adequada, que por sua vez provida por

ventiladores acionados por energia eltrica.

O aumento sistemtico da demanda bem como dos custos de energia e a necessidade

de planejar uma mina no s a curto prazo, mas tambm para a vida til, bem como limitaes

de sua disponibilidade imediata requerem minas progressivamente mais profundas. Assim,

demandam tcnicas modernas e ferramentas adequadas para o dimensionamento dos sistemas

de ventilao, que ofeream confiabilidade e rapidez de anlise. Isso permite estudar os vrios

cenrios tanto nas situaes cotidianas quanto para cenrios acidentais.

Dada a complexidade das anlises necessrias, justifica-se o emprego de ferramentas

computacionais no planejamento de minas subterrneas, o uso de aplicativos capazes de

calcular com preciso adequada as condies termodinmicas do ar e predizer as temperaturas

reinantes, as concentraes potencialmente perigosas de gases nos postos de trabalho,

permitindo propor as melhores solues para manuteno das condies ambientais timas

seja atravs do uso de refrigerao, seja atravs do volume adequado de ventilao (PINTO,

COSTA, et al.).

3.1 CONDICIONANTES DA ENGENHARIA AMBIENTAL SUBTERRNEA

O ar que circula nas galerias das minas subterrneas sofre modificaes relativas na

sua composio qumica e fsica. Quando flui descendentemente em uma escavao de mina,

o ar gera um aumento de presso devido a seu prprio peso, e isso causa um aumento de

temperatura correspondente a aproximadamente 1C para cada cem metros na vertical

(PINTO, COSTA, et al.).

Esse efeito termodinmico provoca a diminuio da capacidade do ar em seu efeito

de resfriamento. Alm disso, o ar de ventilao incorpora gases, vapores, poeira e umidade

resultantes das diversas atividades executadas. E, por ser um fludo compressvel, sofre

modificaes significativas em sua densidade. Essa variao na sua composio qumica, na

sua densidade e na sua temperatura demanda metodologias e ferramentas adequadas de

controle das condies reinantes e so essenciais para se calcular as demandas futuras,

medida que a mina se aprofunda (MACHADO, 2011).

18

A energia necessria para movimentar a massa de ar requerida em subsolo

linearmente dependente das distncias percorridas e, durante a sua movimentao, custa da

presso total do sistema de ventilao, seja por atrito com a superfcie interna das galerias

(chamadas perdas Hf), seja por turbulncia decorrente de mudanas de direo em curvas,

alargamentos e estreitamentos das galerias (chamadas perdas Hx). Segundo HOWES e

STOCKHAUS, 2002 cerca de 90% das perdas de carga ocorrem nos caminhos principais e de

retorno da ventilao. At o advento dos computadores, esses clculos eram feitos

manualmente e eram mais uma arte que uma cincia baseando-se fortemente na experincia

do responsvel pelo planejamento da mina.

Alm disso, alta mecanizao das minas oriunda dos modernos mtodos de

minerao, alm do calor gerado, introduziu enormes quantidades de gases e calor no

ambiente subterrneo.

Uma tarefa crtica para a equipe responsvel pelo planejamento de ventilao

determinar a quantidade de ar exigida para baixar a concentrao de material particulado

diesel at os limites permitidos, quando uma dada frota de equipamentos estiver em operao.

Proporcionar um projeto adequado do sistema de ventilao da mina, que leve em

considerao os equipamentos com as menores taxas de emisso, a estratgia mais eficaz

para reduzir essas concentraes. Porm, na maioria dos casos, no possvel trocar a frota

existente por outra menos poluente devido aos altos custos envolvidos.

O uso generalizado de leo diesel nas minas subterrneas determina que os principais

aplicativos usados no dimensionamento de circuitos de ventilao incorporem algoritmos seja

para os clculos de calor latente e calor sensvel, seja para a simulao dos caminhos de

ventilao, as concentraes de material particulado diesel, poeira ou gases de maneira a

manter os limites de tolerncia legais. Isso torna possvel tambm antecipar condies de

emergncias e, consequentemente providenciar medidas mitigadoras (MACHADO, 2011).

J o aumento da profundidade concomitante com o aumento dos volumes de ar

circulante provoca o aumento inevitvel das perdas de ar no circuito. Segundo O'NEIL, 1991,

as perdas de ar so o maior fator de ineficincia nos sistemas de distribuio de ar de uma

mina. O pior e o mais provvel local onde tais perdas ocorrem so as instalaes ou

imediaes dos ventiladores principais. ONeil et al. (1991) referem ainda que essas perdas

agem como um circuito paralelo de alta resistncia com o circuito de ventilao principal

desviando quantidades significativas de ar fresco diretamente para o retorno sem que o ar

passe pelas frentes em servio, onde ele necessrio. As perdas de ar podem ser minimizadas

19

com o planejamento adequado dos sistemas de ventilao e do uso judicioso de aplicativos

computacionais que permitem otimizar os constituintes do sistema de ventilao.

Nas minas subterrneas os trabalhos em profundidade ficam mais quentes, devido

principalmente ao aumento da temperatura da rocha virgem com a profundidade, os impactos

da autocompresso, bem como o calor liberado pelo maquinrio utilizado. As fontes de calor

em uma mina podem ser divididas em dois grupos distintos: o primeiro inclui as fontes que

dependem do local geogrfico da mina e, por conseguinte do extrato rochoso, e o segundo

compreende fontes derivadas das atividades humanas (GONALVES, PORTES, et al.,

2009).

Do ponto de vista da engenharia, a determinao da quantidade de calor transmitida

na unidade de tempo para um gradiente de temperatura especificado um problema-chave. A

taxa pela qual a energia transferida da rocha para o ar funo da diferena de temperatura

entre a superfcie da rocha e a massa de ar, da rugosidade da superfcie, da velocidade do ar,

da porcentagem da superfcie da rocha que est molhada e da presso de vapor do ar de

ventilao. A temperatura da rocha funo do gradiente trmico, da difusividade da rocha e

do tempo de exposio (HALL, 1981).

A estimativa da carga trmica em minas profundas o primeiro passo para atingir o

objetivo de estimar taxas adequadas de vazo de ar e as necessidades de refrigerao em

funo dos parmetros de conforto trmico. A carga trmica de uma dada mina funo da

sua localizao, dos equipamentos operacionais em funcionamento e dos demais processos

geradores de calor que ocorrem no local (TUCK, 2011)

No contexto de explotao de bens minerais por lavra subterrnea de minas

profundas, a ventilao destas deve haver planejamento cuidadoso, atravs da execuo da

modelagem computacional de sistemas de ventilao, seja em condies normais, seja em

condies de emergncias, em consonncia com a responsabilidade institucional e social da

preservao da sade e segurana daqueles que trabalham em tais ambientes.

3.2 CIRCUITO BSICO DE VENTILAO

Alm da ventilao natural, existem outros dois circuitos de ventilao: ventilao

principal e ventilao secundria.

20

3.2.1 Circuito Principal

Utiliza os ventiladores principais que iro forar o ar atravs do circuito de

ventilao. Este circuito formado por galerias de entrada de ar, galeria de retorno de ar

impuro, e os tapumes, paredes, portas, pontes e reguladores que completam o sistema.

O circuito principal de ventilao tem como funo conduzir o ar novo at as frentes

de trabalho mais distantes na quantidade suficiente para atender as necessidades, devendo-se

levar em considerao que para isso ser necessrio superar as resistncias ao deslocamento

do ar atravs das galerias e nos obstculos como mquinas, obstrues por entupimento de

galerias. Quanto maior for a resistncia ao deslocamento do ar menor ser a quantidade de ar

impulsionada pelo ventilador. Outra funo do circuito principal a exausto do ar impuro e

p das frentes de lavra, retornando pelas galerias de retorno e saindo pelo poo.

3.2.2 Circuito secundrio

Utiliza os ventiladores, dutos e exaustores que transportam o ar nos painis, nas

frentes de trabalho.

A respeito do circuito secundrio, este apresenta como funo a conduo atravs de

dutos do ar puro e refrigerado pelas plantas at as frentes de trabalho. Este ar que conduzido

ser utilizado na respirao do homem, diluio dos gases e diminuio da temperatura. Sua

outra funo a exausto do p presente nas frentes de lavra e dos gases produzidos pelo

desmonte de rocha (GONALVES, PORTES, et al., 2009).

Paredes: temporrias ou permanentes: So feitas de alvenaria, blocos de concreto, ao pr-

fabricadas, ou outros materiais prova de fogo. O tamanho das paredes varia de acordo com as

dimenses da entrada a ser tamponada. So instaladas em entrada de galerias e acessos no

mais utilizados para evitar perdas de fluxo de ar.

Reguladores: so comumente utilizados para reduzir o fluxo de ar a um valor desejado em

vias de ventilao ou em uma seo qualquer da mina. Dependendo da sua permanncia e da

presso a ser experimentada ao longo do regulador, o material usado na sua construo pode

ser desde uma faixa simples de cortina, bloqueando a via de ventilao para a entrada de um

realce.

Portas de ar: quando necessria a construo de acesso entre as vias de entrada e sada de

ventilao e a presso diferencial alta, so construdas duas ou mais Man-Doors para

21

formar uma cmara de ar. Isso impede um curto-circuito quando uma porta aberta para a

passagem de pessoas ou equipamentos, A distncia entre as portas deve ser capaz de

acomodar o veculo mais longo que precisa passar pela cmara.

Cortinas/ Mangas de ventilao: como medida de curto prazo, cortinas resistentes ao fogo

podem ser pregadas ao teto, laterais e piso de minas de carvo, fornecendo paredes

temporrias, onde as presses diferenciais so baixas e em torno de reas de trabalho. Em

minas metlicas e no metlicas, mangas de ventilao so geralmente usados em torno das

reas de trabalho e para canalizar o ar fresco para as frentes de trabalho. Tambm so

comumente utilizados junto com ventiladores auxiliares.

Sprays de gua e purificadores: so dispositivos utilizados para melhorar o fluxo de ar

fresco em reas de face. Purificadores so aspiradores utilizados para supresso de p,

enquanto que os sprays de gua so colocados estrategicamente em mquinas e funcionam

como ventilador impulsionador para redirecionar o fluxo de ar nas direes certas em reas

de face.

3.3 FERRAMENTAS PARA MODELAGEM COMPUTACIONAL

Os sistemas de ventilao principal de minas subterrneas tm sido projetados,

construdos e operados por dcadas. Como a energia despendida no representava um custo

operacional significativo, maiores cuidados no eram tomados na sua concepo, operao e

manuteno.

Essa realidade mudou com o aprofundamento das minas, o aumento dos custos de

energia, a necessidade cada vez maior de aumentar o volume de ar circulante devido ao

aumento da mecanizao, a necessidade de alcanar maior produtividade, as mudanas nas

taxas de produo ou outras necessidades no antecipadas no projeto, alm das exigncias

legais. O projeto de um sistema principal de ventilao subterrneo e do sistema de controle

ambiental um processo muito complexo com muitas caractersticas interagindo, ento no

deve ser tratado isoladamente para evitar reformulaes caras durante a vida til da mina.

Durante o estudo das vrias fases de uma mina, deve-se sempre levar em considerao a

mxima velocidade permitida ou a velocidade mais econmica do ar (MACHADO, 2011).

Critrios adicionais segundo McPherson (2008) para velocidades do ar aceitvel e

fluxos de ar em poos so os seguintes:

22

Velocidade do ar de 10 m/s com base na rea livre do poo. A rea livre do poo definida

como a rea lquida aps a deduo da rea ocupada por equipamentos e veculos de

transporte do poo.

A seo transversal do maior veculo de transporte no poo no dever exceder 30% da

rea livre do poo onde existem dois ou mais meios de transporte, ou 50% da rea livre do

poo, onde h apenas um veculo de transporte.

A velocidade mxima relativa do ar (com base na rea livre) entre o fluxo de ar e o maior

veculo de transporte no deve exceder 30 m/s, sem precaues especiais para proteger a

estabilidade deste veculo de transporte, e no deve exceder 50 m/s em qualquer hiptese.

O propsito minimizar as perdas de presso no sistema de ventilao mantendo a

eficincia e a segurana. A perda total dada pela equao 1.1.

= + (1.1)

Onde:

Hf so perdas por atrito;

Hx so perdas por turbilhonamento.

As perdas Hf ocorrem por causa do atrito do ar contra as paredes das galerias ou

dutos de ventilao. Elas so proporcionais s caractersticas fsicas das vias de transporte do

ar, portanto so perdas lineares. Elas so caracterizadas pela equao 1.2 conhecida, por

equao de Atkinson.

=

(1.2)

Onde, no sistema internacional de unidades (SI), tem-se:

Hf em Pa (N/m2);

K, fator de atrito, dado em Ns2m-4;

P, permetro da galeria, dado em m;

L, comprimento da galeria, dado em m;

A, rea de seo da galeria, dada em m2;

Q, vazo de ar, dada em m3/s

Na equao de Atkinson o fator de atrito k um parmetro importante para se obter a

energia despendida pelo sistema e pode ser obtido em tabelas ou por meio de testes

23

conduzidos nos locais de interesse. Em geral, o valor de k apresenta-se entre 0,01 e 0,02

Ns2m-4 para galerias e entre 0,001 e 0,003 para dutos de ventilao (MCPHERSON, 1993).

As variveis k, P e L e A3 podem ser condensadas em um nico parmetro R,

denominado resistncia de galeria, segundo a equao 1.3.

=

(1.3)

Onde R dado, no SI, em Ns2m-8.

Assim, Hf pode ser escrito como a equao 1.4.

= (1.4)

Em uma mina, galerias com R diferente encontram-se conectadas umas as outras. De

acordo com a configurao da mina e o modo como so feitas as conexes, e possvel

encontrar um valor de R nico representando todo o circuito de ar ou a resistncia

equivalente do circuito. V-se que a equao 1.4 representa uma equao do segundo grau,

que inicia na origem.

Para determinar a resistncia equivalente do circuito, preciso simplificar as

associaes de galerias ou dutos de ventilao at um circuito nico. Com isso, pode-se

representar graficamente o comportamento de uma galeria ou duto de ar, ou conjunto de

galerias ou dutos conectados entre si, o que leva a curva caracterstica de uma galeria,

segundo a Figura 1.

.

Figura 1. Curva caracterstica de uma galeria. Fonte: (MACHADO, 2011).

24

No planejamento de sistemas de ventilao em mina subterrnea, especial ateno

deve ser dada na determinao do parmetro fator de atrito, cujo conhecimento necessrio

para o clculo das resistncias passagem do ar pelo circuito de ventilao e determinao,

com preciso, dos ventiladores principais. (SALVADORETTI, COSTA e KOPPE, 2010).

Isso pode se tornar extremamente trabalhoso ou at impraticvel para minas com extensas

malhas de ventilao, o que leva ao uso de modelamento computacional para se obter o R da

mina.

O segundo grupo de parmetro refere-se s perdas por turbilhonamento do ar ou

perdas de presso Hx. Esse um tipo especial de perda de carga que inclui as perdas na

entrada ou na sada do ar das galerias ou dutos de ventilao. Essas perdas por

turbilhonamento ocorrem de forma abrupta e no so proporcionais ao comprimento das

galerias ou dutos e so, portanto perdas localizadas. A obteno de estimativas para Hx no

atravs de uma equao simples como Hf. Em geral, usam-se tabelas ou bacos com valores

originados experimentalmente. Perdas por turbilhonamento tipicamente respondem por 10% a

30% da resistncia total da mina, com perdas de presso por atrito respondendo pelas perdas

restantes (HARTMAN, MUTMANSKY, et al., 1991).

Segundo McPherson (2008), para determinar as perdas por choque produzidas por

mudanas de direo, curvas, cruzamentos, obstrues e reguladores nos circuitos de entradas

ou sadas das galerias, pode-se utilizar a tcnica do fator de perdas de choque, em que se

estabelece uma resistncia equivalente de acordo com a geometria das galerias segundo as

equaes a seguir.

= + (1.5)

Onde Rcomprimento dado pela equao de Atkinson (equao 1.6), corrigida pela

densidade.

=

, (1.6)

E Rchoque dada pela equao 1.7.

=

(1.7)

Onde, no SI temos:

25

X, fator de choque, adimensional;

, densidade do ar, em kg/m3;

A, rea seo reta, em m2.

Pode-se tambm utilizar tabelas para as distintas situaes, como a abaixo:

Tabela 1. Fatores de perdas de carga recomendados.

Fonte: (MACHADO, 2011)

Alm das perdas na presso total causadas por atrito e as perdas por turbilhonamento,

h as perdas decorrentes do efeito sistema (AMCA, 2009). O efeito sistema ocorre por causa

das diferenas entre as conexes padronizadas usadas em testes de laboratrio para realizar as

avaliaes de desempenho de um ventilador e as conexes de entrada e de sada instaladas

nesse ventilador. Ento, o efeito sistema o resultado da diferena em como o ventilador foi

testado, comparado como instalado. Para minimizar o efeito sistema, as conexes de entrada

e sada de uma instalao de ventilao devem ser cuidadosamente projetadas e montadas

para criar um fluxo de entrada e sada o mais uniforme possvel aproximando assim de uma

instalao-padro.

26

A importncia da determinao precisa das perdas de presso em um sistema de

ventilao vital uma vez que para haver determinada vazo atravs de uma galeria de

ventilao, os ventiladores devem proporcionar presso igual s perdas Ht sofridas pelo ar

durante a movimentao.

4 MATERIAIS E MTODOS

Este captulo descreve as metodologias utilizadas para coleta dos dados, bem como,

os equipamentos utilizados. feita tambm uma descrio do sistema de ventilao da mini-

mina.

4.1 CONSTRUO DA MAQUETE

Para realizao deste trabalho construiu-se uma maquete de uma mina subterrnea. A

mini-mina apresenta trs nveis em que as galerias representam as galerias principais de uma

mina subterrnea, alm das duas rampas que a compem, e uma chamin para ventilao.

A escolha do material para construo desta, isto o gesso, deu-se devido ao fcil

manuseio do mesmo e rpido tempo de secagem.

Nas figuras que se seguem, so ilustradas as etapas de construo da maquete.

Figura 2. Construo do nvel 1 e rampa 1 da maquete. Fonte: Arquivo Pessoal.

27

Figura 3. Construo do nvel 2 da maquete. Fonte: Arquivo Pessoal.

Figura 4. Construo da rampa 2 e nvel 3 da maquete. Fonte: Arquivo Pessoal.

Figura 5. Construo do nvel 3 e chamin da maquete. Fonte: Arquivo Pessoal.

28

Alm disso, foram usados como ventiladores da mini-mina cinco coolers 1 de

computador de 12 volts cada, dispostos em dois conjuntos em paralelo, em que dois coolers

com maior vazo compem um conjunto em srie, e outros trs de menor vazo compe outro

tambm em srie. Cada conjunto apresenta as mesmas vazo e velocidade.

Figura 6. Ventiladores da mina. Fonte: Arquivo Pessoal.

Como se trata de uma representao de uma mina subterrnea assumiu-se a extrao

de um corpo mineral com direo LW e mergulho de 75.

A figura a seguir apresenta uma viso geral da mina-maquete.

Figura 7. Viso geral da mina maquete. Fonte: Arquivo Pessoal.

1 Cooler um dispositivo de computador em forma de ventilador, utilizado para manuteno da

temperatura adequada na mquina.

29

Para extrao deste corpo mineral adotou-se uma operao hipottica com uso de

equipamentos com as seguintes potncias: perfuratriz de teto com 160cv, perfuratriz de frente

com 232cv e 2 ps carregadeiras LHD com 250cv.

Para facilitar a anlise dos dados, a maquete foi construda assumindo-se uma escala

de 1:100.

Para concretizao do modelo levou-se em considerao que a vazo fornecida pelos

ventiladores da mina deva ser suficiente para o suprimento de ar nas frentes de trabalho.

Como as atividades executadas de perfurao, carregamento, detonao e transporte, no

ocorrem simultaneamente, pode-se afirmar que a vazo deve ser ideal para amenizar os gases

emitidos pelas mquinas de cada atividade. Assim sendo, o valor de potncia de maior

relevncia aquele do equipamento de maior potncia, isto , das duas ps LHD.

O valor da potncia do equipamento levado em considerao e o nmero de

pessoas em cada frente de trabalho baseado nos critrios estabelecidos na NR 22, em que

deve-se atender a vazo mnima necessria para realizao destas atividades conforme a

equao:

= + (1.8)

Onde: QT = vazo total de ar fresco em m3/min

Q1 = quantidade de ar por pessoa em m3/min

(em minas de carvo = 6,0 m3/min; em outras minas = 2,0 m3/min)

n1 = nmero de pessoas no turno de trabalho

Q2 = 3,5 m3 / min/cv (cavalo-vapor) dos motores a leo diesel

n2 = nmero total de cavalo-vapor dos motores a leo diesel em operao

A NR 22 utiliza-se de outros critrios para avaliao da quantidade de ar. Assim,

pode-se obter uma quantidade de material que pode ser extrada com uma quantidade mnima

de ar, conforme esta norma. A norma estabelece como mnimo uma quantidade de 180 m3 de

ar por minuto para cada 1000 toneladas extradas mensalmente.

= (1.9)


q = vazo de ar em m3/minuto para 1.000 toneladas desmontadas por ms

(mnimo de 180 m3/minuto/1.000 toneladas por ms)

30

T = produo em toneladas desmontadas por ms.

Ainda baseado nesta norma pode-se obter uma mxima quantidade de explosivos

correspondente detonao de uma frente acordada com a aerao desta. Para esta situao

assumiu-se um tempo de aerao de 20 minutos.

=,

(1.10)


A = quantidade total em quilogramas de explosivos empregados por desmonte

t = tempo de aerao (reentrada) da frente em minutos

4.2 EXECUO DAS MEDIDAS

A fim de validar o modelo computacional, executaram-se medidas de velocidade

com anemmetro, em pontos estratgicos da maquete, isto , no decorrer dos nveis, no centro

das rampas e prximo aos ventiladores.

Para obteno dos valores de vazo foram utilizados os valores das reas dos pontos

onde foram executadas as medidas, e desta forma fez-se o produto destas reas por suas

respectivas velocidades, a fim de se obter a vazo em cada ponto.

4.3 CONSTRUO DO MODELO COMPUTACIONAL

O software utilizado na construo do modelo de rede de fluxo do circuito de

ventilao da mini-mina foi o VentSim na sua verso educacional. Este software permite a

entrada de dados por uma interface grfica de janelas com vrios menus onde pode-se fazer a

entrada dos dados via teclado ou mouse. Os dados podem ser exportados e importados por

meio de arquivos com extenso dxf ou cfs.

A geometria do circuito de ventilao estabelecida pela barra de tarefas do

programa com a ajuda do utenslio desenho representado por um cone lpis. Com ele pode-se

traar todo o diagrama, desenhando o circuito de ventilao com o mouse. Nessa etapa de

confeco do diagrama deve-se estabelecer em que nvel se encontra o circuito, e isto pode ser

feito com o sub-tem localizado no canto inferior esquerdo da barra de tarefas. A Figura 8

ilustra em maior detalhe a barra de tarefas do programa Ventsim.

31

Figura 8. Barra de tarefas do programa Ventsim. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

As caractersticas de cada seo de galeria do circuito de ventilao so definidas

pelo cone representado pela letra E em que, clicando sobre este e em seguida sobre uma

determinada seo do circuito, abrir uma janela representada pela Figura 9. Pode-se regular,

neste cone, as caractersticas relativas forma, comprimento, resistncia, rugosidade, etc.

Figura 9. Janela de insero de caractersticas do circuito. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

Informaes relativas aos nveis, ventiladores e galerias so acessveis atravs do

menu principal Ferramentas (Tools), Figura 10.Quando escolhe-se uma das opes, tem-se

acesso ao contedo e a edio. possvel modificar ou adicionar informaes em seu

contedo. As figuras (Figura 11, Figura 12, Figura 13) mostram as janelas de informaes

para cada item do menu Ferramentas.

32

Figura 10. Item database do menu principal do software. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

Figura 11. Janela de edio para os nveis estabelecidos no diagrama de ventilao. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

Figura 12. Janela de edio e insero de dados sobre os ventiladores. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

33

Figura 13. Janela de visualizao dos trechos estabelecidos com suas caractersticas. Fonte: (PINTO, COSTA, et al.).

O programa VentSim calcula a resistncia a partir de dados de rugosidade,

comprimento e geometria da galeria. Pode-se tambm inserir um valor de resistncia para

uma dada galeria ou atribuir um valor padro entre os disponveis no software.

A soluo numrica para o circuito de ventilao do fluxo de rede ativada no boto

AIR. Se o circuito de ventilao proposto contiver algumas incoerncias como, trechos de

galerias sem entrada ou desconectados, o programa notifica um erro, indicando o trecho de

galeria que o possui. O programa retornar uma mensagem de erro, caso acontea uma no

convergncia para o balano de vazo ou uma eficincia muito baixa do sistema de

ventilao.

Os resultados obtidos com o programa podem ser visualizados de diversas formas,

como: vazo, presso manomtrica, velocidade, diferena de presso e potncia. Os resultados

so visualizados junto ao circuito. A Figura 14 mostra o circuito de ventilao da mina-

maquete traado no programa VentSim.

34

Figura 14. Circuito de ventilao construdo no VentSim com uma simulao de fluxo de ar. Fonte: Arquivo Pessoal.

Os modelos do circuito de ventilao so feitos com o intuito de caracterizar o layout

corrente do circuito de ventilao e prever as possveis distribuies de fluxo e de presso nos

futuros cenrios minerrios. Outro aspecto levado em considerao foi a adequao do atual

circuito Norma Regulamentadora NR 22.

Para validar o modelo de fluxo, os dados obtidos foram comparados com os dados

simulados. A diferena entre os valores simulados e a mdia de todos os valores das medidas

com anemmetro foi estabelecida como parmetro para validao do modelo. Levou-se em

considerao tambm o erro relativo entre os valores. Foram comparados os valores de

velocidade nos pontos caractersticos do circuito: 01,02, R1, 11, 12, R2, 31,32 e prximo ao

ventilador.

O propsito desta anlise caracterizar o circuito de ventilao e propor uma

possvel previso das distribuies de vazo no atual cenrio.

Em um caso real, um modelo do gnero pode servir para prever as futuras

distribuies de vazo caso seja necessria uma reformulao do circuito de ventilao dentro

de uma margem de erro estabelecida como aceitvel.

35

Desta forma estabeleceu-se neste trabalho uma margem de erro aceitvel de 5%,

visto que trata-se de uma situao hipottica, e a mina-maquete apresenta apenas um nico

caminho do ar.

5 RESULTADOS E DISCUSSES

A velocidade um parmetro de importncia, uma vez que seu controle est

intimamente ligado sade ocupacional. Os resultados simulados foram comparados com os

valores medidos e so apresentados na tabela a seguir, alm dos erros relativos.

Tabela 2. Comparao dos valores de velocidade medidos e simulados.

De acordo com a NR 22, o valor limite para velocidade em lugares que exista circulao

de pessoas deve estar acima de 0,20 m/s e abaixo de 8,00 m/s. Como mostrado na tabela anterior,

os valores medidos se encontram dentro do limite exigido pela norma e os resultados da

simulao apresentam uma diferena inferior a 5%. A vazo encontrada em todos os pontos da

mina foi de 67 m3/s, conforme a figura abaixo.

36

Figura 15. Simulao do circuito de ventilao da mina maquete apresentando a vazo constante. Fonte: Arquivo Pessoal.

Os grficos que se seguem representam uma comparao dos valores medidos de

velocidade com os valores simulados no Ventsim e os erros relativos encontrados em cada

ponto.

Figura 16. Validao entre os valores de velocidade medidos e simulados.

37

Figura 17. Erro relativo dos dados medidos e simulados.

De acordo com o parmetro estabelecido como critrio de validao do modelo, este

encontra-se dentro da margem de erro estabelecida.

O somatrio de todas as vazes em um circuito de ventilao constante. Nota-se

que para este caso, por se tratar de uma situao de laboratrio, a mina apresenta um nico

caminho, isto , em qualquer trecho da maquete a vazo ser a mesma. Isto significa que os

parmetros que iro variar so as sees dos trechos de galeria em que foram realizadas as

medidas e as velocidades do ar.

Conforme a NR 22, e considerando esta situao hipottica, obtm-se o valor de

vazo necessria de acordo com o critrio de nmero de mquinas e admitindo-se um valor de

trs pessoas:

=2 3 + 3,5 2 250

60

= 30

Isto mostra que a vazo fornecida pelos ventiladores suficiente para atender aos

equipamentos da mina e ao mesmo tempo s exigncias da norma.

38

Outro parmetro que pode ser avaliado neste trabalho e ainda de acordo com as

exigncias da NR 22 a vazo de ar fresco na mina em funo da tonelagem mensal

desmontada:

=67 60 1000

180

Assim sendo obtm-se uma tonelagem mensal que pode ser extrada com o mnimo

que vazo requerida (180m3/min para cada 1000 toneladas extradas) de 22.333 toneladas.

39

6 CONCLUSO

A ventilao em uma mina tem como principal objetivo o fornecimento do fluxo de

ar puro a todos os locais de trabalho em subsolo, em quantidades suficientes para assegurar as

condies de higiene e segurana dos trabalhadores. Os sistemas de ventilao e refrigerao

esto entre principais investimentos de uma mina subterrnea, sendo fator imprescindvel no

planejamento econmico e de viabilidade do empreendimento mineiro. Sendo assim, de

suma importncia que engenheiro de minas possua um vasto conhecimento sobre circuito de

ventilao, suas utilidades, os equipamentos empregados, bem como seu manuseio. Para que

este seja empregado e utilizado adequadamente a fim de evitar qualquer tipo de dano sade

dos trabalhadores, ou acidente que possa ocorrer.

A metodologia do estudo adotada mostrou resultados pertinentes na avaliao das

condies ambientais do ar da atmosfera da mina maquete. Conclui-se a partir da comparao

dos valores medidos com os valores limites admissveis calculados a partir da NR 22 que os

valores de velocidade do vento so atendveis a maior parte das minas subterrneas. Os

valores de velocidade medidos se mostram todos abaixo dos valores mnimos admissveis

pela NR 22.

No que diz respeito simulao do circuito de ventilao com o uso do software

VentSim, o comparativo entre os valores de velocidade de ar medidos e simulados variam de

1,67% 4,17%, o que demonstra que a situao de referncia simulada tem uma validade

aceitvel. A construo de modelos computacionais de simulao para o circuito de ventilao

constitui-se em ferramenta importante de projeto. Alm de agilizar a tomada de decises,

possibilita a previso das possveis demandas de vazo para diferentes layouts de circuito.

Diminuindo os custos e racionalizando os recursos disponveis.

40

7 RECOMENDAES

Sugere-se a simulao de um contaminante na atmosfera da mina maquete.

Sugere-se tambm que os prximos trabalhos sejam realizados na verso do

software mais atualizada: VentSim Visual.

41

REFERNCIAS

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Inc. 2009.

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