Desagüe de Minas Subterráneas

DESAGÜE DE MINAS SUBTERRÁNEAS

TABLA DE CONTENIDO

 1. Ciclo del agua en la naturaleza

            1.1 Agua de infiltración

            1.2 Agua superficial

2. Agua en la minería subterránea

3. Antecedentes de bombeo y desagüe en minas subterráneas

4. Bombeo y desagüe en minas subterráneas

            4.1 Partículas sólidas

            4.2 Productos químicos

5. Desagüe principal

6. Desagüe secundario o auxiliar

            6.1 Bombeo por etapas con bombas pequeñas

            6.2 Bombeo entre niveles

            6.3 Drenaje de pozos y lugares de trabajo

OBJETIVOS

Los objetivos principales de este trabajo son:

1. Definir las características básicas del desagüe en minería subterránea, teniendo como soporte el interés personal hacia la obtención de conocimientos elementales en el perfil profesional minero.

2. Orientar al lector en el transcurso de la investigación hacia la estructuración de ideas y conceptos con relación al desagüe de aguas en una mina subterránea, teniendo en cuenta los aspectos gráficos, el funcionamiento y desarrollo de ésta.

3. Ampliar conocimientos básicos sobre el tratamiento del agua, sistemas de bombeo y evacuación del agua, desde un perfil técnico profesional.

INTRODUCCIÓN

Cada año se extraen grandes cantidades de productos minerales en minas subterráneas, constantemente se elaboran nuevos proyectos para la creación de nuevas empresas mineras, para ello, se necesita una estructura con bases sólidas esperando buenos resultados. Para que estas explotaciones resulten de la mejor manera posible, se necesita contar con las mejores herramientas tecnológicas para así lograr un mejor desempeño.

Dentro de estos requisitos, cabe resaltar uno de ellos, en el cual nos basamos en la investigación. ¿Es abundante el agua en una mina subterránea? ¿Qué tan caótico resulta el agua en abundancia en una mina subterránea? ¿Como afrentamos estos problemas? ¿Qué riesgos me trae como operador o supervisor el agua en la mina subterránea donde estoy operando?

Es necesario hallar la forma, para evacuar las aguas de una mina subterránea, por ello, estudiamos a fondo el manejo correcto del agua subterránea, con el  fin de poder presentar una orientación organizada y estructurada hacia el tratado de estas aguas.

Ciclo del agua en la naturaleza

El agua procedente de las precipitaciones atmosféricas se reparte en tres porciones: Superficial, que discurre sobre la superficie terrestre y forma los torrentes o ríos; de Infiltración, que penetra en el subsuelo y la que se pierde por Evaporación, reintegrándose a la atmósfera.

En este trabajo en mayor medida nos vamos a referir a:

• Agua de infiltración, la cual procede de las precipitaciones atmosféricas y que penetra en el terreno por gravedad, favorecida por la existencia de grietas o fisuras en las rocas, y por la misma porosidad de los materiales que forman el subsuelo, constituyendo el agua subterránea.

• Agua superficial, que se constituye en lagos, arroyos, torrentes y ríos, y que según su ubicación nos puede afectar en diferentes medidas a cualquier explotación minera. En el subsuelo, el agua penetra hasta cierta profundidad, en lo que se denomina zona de aireación, aquí se efectúan desplazamientos verticales, bien sea descendiendo por la gravedad o ascendiendo por capilaridad, por lo tanto los poros de las rocas están parcialmente llenos de agua; esta zona queda limitada por el nivel hidrostático o “freático”, cuya profundidad varía de acuerdo con las precipitaciones atmosféricas, ascendiendo en épocas lluviosas y descendiendo en épocas de sequías. Por debajo del nivel hidrostático las rocas están completamente saturadas de agua, y no se producen desplazamientos verticales de la misma, existiendo por el contrario importantes desplazamientos horizontales, originados por el flujo del agua a los puntos de mínima presión, allí donde el nivel hidrostático aflore en superficie o donde sea cortado por un pozo; esta es la denominada zona de saturación.  De todas formas, los desplazamientos horizontales del agua, en la zona de saturación cesan a cierta profundidad, variable según la naturaleza del terreno, por debajo de la cual el agua está inmovilizada, empapando las rocas del subsuelo, en la zona de estancación.

Agua en la minería subterránea

Es indudable que cada año se extraen muchos miles de millones de productos minerales y para ello, tienen que extraerse grandes cantidades de agua para obtener estos resultados; agua que de no ser extraída haría imposible el trabajo en la mina. Cada año se invierten cantidades ingentes de dinero en la realización de nuevos proyectos mineros, uno de los requisitos más importantes para obtener el máximo rendimiento de estas inversiones es que se utilicen las técnicas más avanzadas y los equipos más eficaces, y por supuesto en ello se incluyen la evacuación del agua que se genera en las explotaciones.

Las fallas naturales o las grietas producidas por las explotaciones rompen la continuidad de los mantos impermeables y son el camino de entrada de las aguas, pero el agua más corriente en las minas profundas procede de niveles acuíferos subterráneos, aunque excepcionalmente pueda una grieta dar entrada a aguas superficiales directamente. La mayoría de las rocas son impermeables y las grietas que en ellas se produzcan suelen Impermeabilizarse pronto. Naturalmente las rocas porosas son un peligro, y las calizas, al formar cavidades con almacenamiento de aguas, también. En las minas de sales el peligro del agua es mucho mayor y por ello se dejan fuertes macizos e incluso se rellenan con relleno hidráulico para cerrar el paso a posibles entradas de agua. Las medidas para evitar o disminuir la entrada de aguas en la mina pueden realizarse dentro de la mina o exteriormente a ella; entre las medidas de exterior está el estudio detallado de la hidrología superficial y subterránea, con el fin de regular o  impermeabilizar los ríos, arroyos, etc. Desecar zonas pantanosas y drenarlas, captar mantos acuíferos con pozos y sondeos a menos costo que el desagüe a gran profundidad. Las medidas de interior pueden ser: el revestimiento o encubado de pozos, el relleno, los macizos de protección, la cementación y los cierres y diques para aislar las aguas; todas ellas entrañan múltiples dificultades y al final siempre hay una parte importante de agua que hay que bombear al exterior.  Lo verdaderamente peligroso son los rompimientos súbitos de fuertes avenidas o inundaciones directas, que pueden anegar toda la mina y ponerla en peligro. Las lluvias solo repercuten en minas de poca profundidad y normalmente con un retraso de unos meses, se puede considerar que a profundidades mayores de 500 metros no afecta a la curva de desagüe. La circulación del agua en el subsuelo es lenta, menor de 3 metros por hora. De aquí la importancia de diseñar una buena red de desagüe, que en definitiva lo que persigue es la eliminación del agua de las minas por dos procedimientos:

· Tomando medidas para que no entre en ella, mediante la creación de canales perimetrales, impermeabilización e incluso desvíos de cauces.

· Bombeándola fuera de la mina

Antecedentes de bombeo y desagüe en minas subterráneas

Una tarea fundamental en la explotación de minas lo constituía la extracción de las  aguas que se generaban en el interior, se tiene conocimientos de laboriosos métodos utilizados para la extracción, en la época romana este problema se solucionó mediante la construcción de galerías de drenaje (a veces de varios kilómetros de longitud) que exigían un buen estudio topográfico y maquinaria como la noria, el tornillo de Arquímedes o la bomba de pistones.

En la época medieval se solucionaba el problema mediante la conducción de las aguas por las galerías mediante cunetas a unos depósitos de recepción en zonas determinadas, siempre en las zonas mas bajas de la mina; y el desagüe se realizaba mediante tornos de mano para subir las “zacas”, que eran bolsas de cuero capaces de transportar entre 100 y 120 Kgrs, se establecía así un sistema que dividía el recorrido ascendente del agua en tramos, de modo que cada 20 ó 30 metros había un equipo formado por dos o cuatro tiradores que movían el torno, un “charquero” que era el que llenaba la zaca en el fondo del pozo, y un “amainador” que la vaciaba.

A continuación se implantó una nueva técnica de origen alemán, que consistía en el achique de agua mediante el método de bombas aspirantes, que eran accionadas mediante una palanca o balancín que daba movimiento al émbolo, y su ejecución, igualmente penosa, estaba encomendada a operarios denominados bomberos. La mayor eficacia de este sistema se vio en parte menoscabada por su deficiente construcción en madera de roble, lo que propiciaba frecuentes averías. Las bombas aspirantes estaban situadas de manera escalonada para formar un cuerpo de bombas capaz de subir el agua desde lo más hondo de la mina hasta la superficie.

Hubo momentos en que coexistieron los dos métodos, y a la vez se produjeron numerosos ensayos, pero sin éxito, hasta que a comienzos de 1800 se sustituyó por completo el sistema de bombeo por bombas de aspiración, por la máquina de vapor bien llamada bomba de fuego, la cual en superficie generaba una energía potencial mediante la quema de madera en su caldera, y se establecía una conexión hasta el depósito mediante la prolongación de tubos, no se ajustaba el método a los esquemas de bomba de simple efecto inventada por Watt, pero servía para extraerle agua desde el interior, este método funcionó hasta finales del siglo XIX.

La máquina de vapor, básicamente consistía en una caldera que, mediante un tubo, comunicaba con un cilindro/pistón unido a uno de los extremos de una gran vía basculante de madera o balancín, cuyo extremo accionaba una bomba de agua. El vapor procedente de la caldera empujaba el pistón hacia arriba hasta la posición superior; en ese momento, se proyectaba dentro del cilindro, un chorro de agua fría que enfriaba y condensaba el vapor, creando un vacío en su interior. Entonces el vacío creado, no contrarrestaba la presión atmosférica en la otra parte del émbolo y por ello empujaba el pistón hacía abajo arrastrando su lado de la viga y por ende, su otro extremo subía accionando la bomba la cual extraía el agua.

Bombeo y desagüe en minas subterráneas

La capacidad de bombeo requerida en las minas subterráneas varía considerablemente. En algunas minas, debe depurarse el agua usada y ser reciclada para atender las necesidades operativas del resto de instalaciones y reducir los costes. En otras, por el contrario, se han de bombear millones de litros de agua cada día de cada año, es indudable que el tamaño e infraestructura de mina va a ser un factor muy a tener en cuenta, y desde luego los grandes avances que han ido apareciendo para esta actividad. El agua que tiene que ser extraída de las minas no es H2O pura, contiene tanto:

• Partículas sólidas, entre las que se incluyen finos procedentes de la perforación, grandes partículas abrasivas y varios tipos de lodos que pueden resultar dañinos para los equipos que se utilicen para su extracción.

• Productos químicos, que se encuentran disueltos en el agua de mina, estos productos producen un agua altamente corrosiva que igualmente pueden afectar gravemente a los equipos de bombeo. El diseño de la red de bombeo o desagüe de una mina subterránea, va a ser muy variable con el transcurso del tiempo, ya que el diseño de una explotación en origen va ser muy definido, pero con el paso del tiempo y con la ampliación del campo de explotación, esta red tendrá que variar ya que comenzará a variar tanto la longitud de las galerías como la profundización, por lo tanto en cada planta habrá un depósito general, y de este en un momento dado será desde donde se bombeará al exterior, pero puede ser que con el paso del tiempo pueda dejarse de bombear al exterior y pueda servir de depósito secundario para bombear a otro principal y si este se sitúa a una cota inferior solo por una conducción por gravedad pase el agua del uno al otro.

Podemos en cada caso atender a diferentes tipos de bombeo:

Desagüe principal

La recogida y extracción de las aguas constituye la instalación de desagüe propiamente dicha, en términos generales el agua se recoge en las galerías, en cunetas practicadas a piso en la base de uno de los hastíales que conforman la galería, lo normal es que vayan hormigonadas y con una pendiente mínima de 1 por 1000, y dirigida esa pendiente hacia unas galerías colectoras que normalmente están situadas unos 4 metros por debajo del piso de la llamada sala de bombas, incluso se puede recoger el bombeo de otras zonas de la mina y se conduce esta agua a este nivel mas bajo de bombeo general.

Para determinar el volumen de estas galerías colectoras hay que conocer el sistema de funcionamiento del desagüe, y este va a depender del caudal de aporte y si las bombas van a funcionar con o sin interrupción, en principio seria conveniente que las bombas trabajasen a un turno donde haya menor consumo de energía, por lo tanto el volumen de las galerías necesita una capacidad para recoger el caudal de agua de las restantes horas de desagüe parado.

En régimen normal debe de haber dos galerías, una en funcionamiento y otra en limpieza y reserva, sabiendo que una de las funciones que cumplen estas galerías es la servir de decantación para el agua que llega; estas se disponen simétricas con relación a la sala de bombas y se comunican con ellas por pocillos verticales por los que baja la tubería de aspiración, que termina en la alcachofa rodeada de una envoltura de tela metálica para evitar la entrada de elementos que puedan fastidiar la bomba.

Las salas de bombas son galerías ensanchadas y revestidas de hormigón, deben tener un puente grúa para mover las piezas pesadas con la mayor facilidad posible, y sobre todo deben estar bien ventiladas, ya que los motores que alimentan dichas bombas desprenden mucho calor; lo normal es que se construyan en zonas muy cercanas a los pozos o planos de bajada a la mina, para utilizar la ventilación limpia que entra del exterior y también para la colocación de la tubería de salida al exterior.

Las bombas principales de desagüe prácticamente todas son centrifugas y alimentadas con motores eléctricos, son bombas de varios rodetes o pisos de presión, cada rodete equivale a 70 ó 150 metros de altura de agua, por lo tanto para el cálculo de la bomba a colocar en el desagüe principal de la mina habrá que conocer el caudal de aporte, la altura a la que haya que subir el agua al exterior y las pérdidas de carga.

Desagüe secundario o auxiliar

Este es que se utiliza para enviar el agua a las galerías colectoras principalmente, aunque en algunos casos según al nivel que se realiza lo hacen directamente al exterior, este es muy variable tanto en caudal como la ubicación, por lo tanto las dimensiones de estos depósitos van a ser muy variables y no con tanto detalle en su construcción como los anteriormente descritos; e igualmente el tipo de bombas utilizadas serán muy amplio dentro de las que existen en el mercado dependiendo de la cantidad de agua a desaguar, su calidad, etc. además si es conveniente que sean sumergibles, si tienen que estar alimentadas eléctricamente o por aire comprimido. Estos equipos pueden ser atendidos por alguna persona o incluso se pueden accionar de forma automática mediante la colocación de un sistema de control de nivel.

A continuación vamos a ver una serie de posibilidades y soluciones que se puedan dar, o casos:

- Bombeo por etapas con bombas pequeñas, que normalmente son sumergibles, y que se utilizan para mantener el agua fuera de los frentes de trabajo y para el transporte a estaciones de bombeo secundarias o principales, siempre en el mismo nivel; estás no requieren mas que un pequeño sumidero para la captación del agua y pueden ser alimentadas tanto con corriente eléctrica como aire comprimido.

- Bombeo entre niveles, se emplean bombas sumergibles para el bombeo entre uno a varios niveles, a la estación de bombeo principal mas cercana, puede darse el caso que según a la profundidad que esté situada se bombee directamente al exterior.

- Drenaje de pozos y lugares de trabajo, por cuestiones de trabajo y mantenimiento, no se construyen estaciones de bombeo complicadas tanto en los fondos de pozos y planos, como en otro tipo de labores, se constituyen unas estaciones de bombeo que pueden funcionar sin recibir atención durante periodos de tiempos mas largos que en el caso de instalaciones fácilmente accesibles. La capacidad de bombeo requerida varía según las circunstancias, debido a que el lodo se acumula en el fondo sin drenaje natural, es por lo que se utilizan bombas especialmente construidas para trabajar con este material.

Es importante también comentar que dentro de la infraestructura de la mina, y que según vaya evolucionando el campo de explotación, es importante integrar un depósito de almacenamiento de aguas para uso en las mismas labores de interior, bien sean para riegos en los frentes o para alimentar máquinas que precisan dicho elemento para su funcionamiento o refrigeración, este depósito se ubicará en una zona intermedia a donde se bombeará el agua y luego mediante una conducción de tuberías bajará por gravedad a las zonas de uso.