Evaluación del riesgo de explosividad del gas metano en minería
subterránea de carbón, caso de la cuenca del Sinifaná,
Colombia
Explosibility risk evaluation of the methane gas in
coal underground mining, case Sinifaná basin,
Colombia
Camilo Andrés Ortega-Ramos
caaortegara@unal.edu.co
Universidad
Nacional de Colombia, Colombia
Triana Margarita Franco-Bonfante
tmfrancob@unal.edu.co
Universidad
Nacional de Colombia, Colombia
Astrid Blandón-Montes
asblando@unal.edu.co
Universidad
Nacional de Colombia, Colombia
Jorge Martín Molina-Escobar
jmmolina@unal.edu.co
Universidad
Nacional de Colombia, Colombia
RESUMEN
El metano
asociado al carbón es un gas que potencialmente genera riesgos de explosión en
labores de minería subterránea. Este gas es explosivo cuando se encuentra
dentro de un rango del volumen entre 5% y 15%, por lo que es de gran
importancia realizar monitoreos constantes de las
concentraciones. El punto más crítico de la actividad minera es el arranque de
carbón ya que es el momento donde se hace una mayor perturbación de este
ocasionando la liberación del gas. Se realizaron mediciones de concentraciones
de metano durante el arranque en minas a lo largo de la cuenca del Sinifaná, a partir de las cuales se realizaron perfiles y
correlaciones para determinar los factores más influyentes para las
acumulaciones de gas y por ende explosiones, además se muestran correlaciones
entre factores como la ventilación y las ubicaciones geográficas de las minas
siendo las primeras las más influyentes al presentarse concentraciones de un
30% más altas en minas sin ventilación.
Palabras
clave: metano, arranque, carbón, Sinifaná.
ABSTRACT
Coal-Bed Methane (CBM) has the risk to
generate explosions when its volume is between 5% and 15%, so it is very
important to perform a routine monitoring of its concentrations during mining
activities. The most critical point of the coal mining is the digging because
it is the moment when the perturbation of CBM occurs, causing its release. Were
performed measurements of methane concentrations during the digging in mines
along the Sinifaná basin, from wich
were performed profiles and correlations to determine the most influential
factors for gas accumulations and explosions. Also, they were performed
correlations between factors of ventilation and geographical locations of the
mines, being the first the most influential it presenting concentrations of 30%
higher in mines without ventilation.
Keywords: methane, digging, coal, Sinifaná.
Forma de citar: Ortega-Ramos,
C.A., Franco-Bonfante, T.M., Blandón-Montes, A., y
Molina-Escobar, J.M. (2018). Evaluación del riesgo de explosividad del gas
metano en minería subterránea de carbón, caso de la cuenca del Sinifaná, Colombia. Boletín de Geología, 40(1),
83-91. DOI: 10.18273/revbol.v40n1-2018005.
INTRODUCCIÓN
La minería subterránea de carbón es una labor donde se
tiene el riesgo latente de las explosiones por atmosferas con altas
concentraciones de gas metano (CH4) producido por el carbón, por lo
tanto, conocer el gas desprendido en los procesos de extracción es de gran
utilidad para saber de manera precisa las condiciones a las que están sometidos
los trabajadores. Es posible evaluar de distintas formas la cantidad de metano
que se está generando en un frente de explotación durante las labores de
arranque, perforación y voladura en el carbón.
Las emisiones de gas durante estas labores se han
podido determinar tanto por métodos experimentales como por modelamientos
numéricos. Esto se realiza debido a que la cantidad de metano presente en el
frente de un túnel es diferente a la que se encuentra en el manto in-situ, es
decir, el conocimiento de esto nos puede ayudar para saber la cantidad real de
metano que se tiene presente y que se debe diluir (Karacan et al., 2011).
En el proceso minero, el arranque podría ser el punto
más crítico porque es el momento en que mayor metano se desprende, ya que puede
afectar las variables que controlan la cantidad de metano desprendido, debido a
esto se hacen muy importantes estudios donde se muestran los efectos causados
por el arranque sobre los mantos (ALL Consulting, 2003).
La cuenca del Sinifaná cuenta
con un alto riesgo de presenciar explosiones de metano, debido a que en la
mayor parte de las minas no se realizan mediciones de gas durante los procesos
de arranque, lo que incrementa la posibilidad de ocurrencia de estas.
MARCO TEÓRICO
Ubicación de la zona de estudio
La cuenca del Sinifaná se
encuentra ubicada al Suroeste de la ciudad de Medellín y se encuentra
conformada por 5 municipios todos pertenecientes al departamento de Antioquia:
Amaga, Venecia, Titiribí, Angelópolis y Fredonia. En todos, la minería subterránea de carbón es una
de las actividades económicas principales y gran parte de esta se considera
pequeña minería. La FIGURA 1
muestra la región que abarca la cuenca del Sinifaná.
FIGURA 1
Cuenca Del Sinifaná, Antioquia. Modificado De
Google Maps, 2017.
Gas asociado al carbón
El gas asociado al carbón o CBM (Coal Bed Methane) es un hidrocarburo
no convencional fundamentalmente diferente en su proceso de acumulación y
tecnología de producción; es un gas natural que contiene 100% del metano
proveniente de los reservorios del manto de carbón y con frecuencia se produce
a profundidades superficiales y asociado a grandes volúmenes de agua de calidad
variable (ALL Consulting, 2003; Anna, 2003; Moore, 2012).
El CBM es gas natural que se genera y almacena en un
manto de carbón. La producción de este se realiza por medio de un pozo de tal
modo que el gas y el agua se llevan a la superficie (ALL Consulting,
2003; Anna,
2003; Moore,
2012).
Los recursos de CBM representan volúmenes comerciales
de gas natural dentro y fuera de áreas de producción convencional de aceite y
gas (ALL Consulting, 2003; Flores et al., 2008; Hackley et al., 2007; Islam y Hayashi,
2008; Shi et al., 2002).
El CBM es metano con pequeñas cantidades de otros
gases de hidrocarburos y no hidrocarburos que se presenta naturalmente en los
mantos de carbón como resultado de los procesos químicos y físicos (ALL Consulting,
2003; Moore,
2012).
Con el aumento del enterramiento y la maduración, los
compuestos orgánicos liberan agua, CO2, metano y otros gases.
Físicamente, el material pierde porosidad debido a los cambios en compactación
y maduración. La reducción en la porosidad sucede debido a la compactación y
deformación de los macerales del carbón (ALL Consulting,
2003; Moore,
2012).
A medida que el carbón madura a tipos bituminosos, el
agua se expele, la porosidad decrece y la formación de metano biogénico decrece debido al ascenso de la temperatura por
encima del rango más favorable para las arqueas (Thauer y Shima, 2006).
Al mismo tiempo, el calor descompone los compuestos orgánicos complejos para
desprender metano e hidrocarburos más pesados (etano y más altos) (ALL Consulting,
2003; Moore,
2012).
A medida que la vitrinita se somete a maduración, su
contenido de carbono aumenta, y el de volátiles disminuye, se vuelve más duro y
brillante, su reflectancia incrementa en la medida
que madura. La reflectancia de la vitrinita es una
medida de la reflectividad del carbón y de esta
manera se puede determinar el rango del carbón (ALL Consulting, 2003; Moore, 2012).
El gas asociado al carbón (CBM) existe en el carbón en
tres estados básicos: como gas libre, como gas disuelto en agua en el carbón y
como gas adsorbido sobre la superficie sólida del carbón (ALL Consulting,
2003; Moore,
2012).
Con el fin de que los fluidos salgan de los mantos de
carbón en un pozo, el carbón debe poseer un sistema de permeabilidad secundaria
tal como fracturas, estas permiten que el agua, el gas natural y otros fluidos
migren desde la porosidad de la matriz hacia el pozo en producción (ALL Consulting,
2003; Laubach et al., 1998).
Diaclasas es el término para la red de fracturas naturales que se forman en los
mantos de carbón como parte de la maduración del carbón (ALL Consulting,
2003; Laubach et al., 1998).
En los mantos de carbón, mucho gas es absorbido sobre
las laminaciones microscópicas y microporos dentro de
los macerales del carbón (ALL Consulting,
2003).
A medida que la presión hidrostática disminuye por la
producción de agua, el gas se desorbe y se mueve
dentro del sistema de diaclasas donde este empieza a fluir hacia el pozo en
producción. El gas natural también puede migrar a través del conjunto de
fracturas más amplias relacionadas a fallas y diaclasamiento
(ALL Consulting, 2003; Laubach et al., 1998).
Atmosferas explosivas
Las atmosferas se consideran explosivas por la
existencia en el aire de sustancias inflamables que en contacto con una fuente
de ignición provoca una explosión (Instituto
Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, 2003).
Para las minas de carbón, es importante conocer que
las labores se realizan en condiciones propensas a que se generen explosiones.
Por esto las instalaciones en las minas deben cumplir normas para sus equipos y
para las formas de trabajo las cuales no deben ser susceptibles a explosiones (Fernández et al., 2003).
Para que la mezcla de aire y metano se le pueda dar
ignición se requiere que se presenten ciertas condiciones, tales como: la
concentración de metano, el volumen de la mezcla y la uniformidad de esta
misma. La mezcla que genera la explosión más violenta se da cuando la
concentración es de 9,5% y se requiere como mínimo 4 m3 de mezcla
para que esta sea capaz de iniciarse, es decir aproximadamente 0,4 m3
de metano (Charris, 2013).
En términos del agente de ignición, las explosiones
pueden iniciarse por distintas fuentes, como lo son las llamas abiertas, cortos
circuitos, circuitos eléctricos no sellados intrínsecamente, descargas
eléctricas y electricidad estática (Clavijo,
2016).
Para una evaluación de las condiciones en las minas
subterráneas se pueden seguir las normas para el control de atmosferas
explosivas, son útiles las Normas ATEX-100
que basa su normativa en aparatos y sistemas de protección para uso en
atmósferas explosivas; la ATEX-137,
basada en la protección de la seguridad y la salud de los trabajadores
expuestos a los riesgos derivados de atmosferas explosivas en lugares de
trabajo (Fernández
et al.,
2003). Y la normativa NFPA 122, para la
prevención y control de incendios en minería metálica/no metálica.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Para evaluar el riesgo de explosión al cual están
sometidas las minas de la cuenca del Sinifaná se
efectuaron mediciones de concentraciones de metano en los frentes de
explotación de distintas minas durante los procesos de arranque.
Equipos utilizados
Para las mediciones de concentraciones se utilizaron
los sensores infrarrojos para metano Crowcon
Detective+. La FIGURA 2
muestra el equipo utilizado para los ensayos.
FIGURA 2
Sensor Infrarrojo De Metano Crowcon Detective+.
Tomado De Crowcon (2017).
La TABLA 1
muestra las características del equipo utilizado. Además de esto, el equipo
cuenta con una manguera y una bomba de succión lo que permite realizar medidas
de concentraciones de gases en lugares donde no puede acceder el equipo.
TABLA 1
Gases Y Rango De Mediciones Ofrecida Por El Sensor. Fuente: Crowcon (2017).
Ensayos realizados
Ensayo para el arranque manual: El objetivo de este ensayo es la
determinación de las concentraciones máximas de metano alcanzadas en el frente
de explotación y el perfil de estas en el túnel cuando se realiza arranque del
carbón por martillo neumático o pica manual.
El montaje del experimento consiste en la ubicación de
los sensores a lo largo del túnel como se muestra en la FIGURA 3A, apoyándose
de las mangueras de los sensores la medición de datos se ejecutó a una altura
de la mitad del alto del túnel. Se realizó una toma de datos por 10 minutos,
después de esto los últimos 3 sensores se movieron a más distancia del frente
con el fin de obtener más puntos de medición, la toma de datos se mantuvo
nuevamente por 10 minutos (FIGURA 3B).
El primer sensor permaneció en el mismo sitio con el fin de obtener la medición
de concentración en el frente que es el lugar donde hay la mayor concentración.
FIGURA 3
A. Ensayo De Medición De Concentraciones En El Arranque Manual, Momento
Inicial. B. Ensayo De Medición De Concentraciones En El Arranque Manual,
Momento Final
.
Ensayo para el arranque por voladura: El objetivo de este ensayo es la
determinación de las concentraciones máximas de metano alcanzadas en el frente
de explotación y el perfil de estas en el túnel cuando se realiza arranque del
carbón por medio de una voladura.
El experimento de medición del comportamiento de gases
durante el arranque por voladura requiere la ubicación de los sensores a lo
largo del túnel. La boca de la manguera de los sensores se ubicó a una altura
de la mitad del alto del túnel ya que la emisión de metano por la voladura se
da una sola vez, la ubicación de los sensores no se cambió. La manguera del
primer sensor se ubicó en el frente para obtener la primera emisión. La FIGURA 4 muestra el
esquema de las ubicaciones de los sensores para este caso.
FIGURA 4
Ensayo De Medición De Concentraciones En El Arranque Por Voladura.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para los ensayos mostrados en la sección de
Metodología Experimental se visitaron un total de 14 minas en la región de la
cuenca del Sinifaná. La TABLA 2 muestra las
minas visitadas con su ubicación y el tipo de ensayo realizado según el método
de explotación utilizado.
TABLA 2
Minas Visitadas Con Su Ubicación Y El Tipo De Ensayo Realizado Según El
Método De Explotación Utilizado.
Las FIGURAS 5, 6 y 7 muestran los
perfiles de concentración para las minas donde se realizaron ensayos de
arranque manual con pica, martillo picador y voladura respectivamente obtenidos
de los ensayos en cada una de las minas, en estas se muestran los perfiles de
las minas con las menores concentraciones y las mayores.
A partir de los resultados obtenidos se puede buscar
una correlación entre el método de arranque y la emisión de metano de un manto,
ya que de acuerdo a la forma en que se perturbe el carbón se pueden obtener
cambios en la variable de permeabilidad, la cual influye directamente en la
tasa de emisión de metano, al facilitar la movilidad de este a través de las
discontinuidades del carbón.
En las FIGURAS 5, 6 y 7, se pueden
observar concentraciones máximas similares menores a 9 LEL en algunas de las
minas de los municipios de Angelópolis, Amagá y Fredonia, a pesar de
utilizar distintos métodos de arranque (pica, martillo neumático y voladuras),
a excepción del caso particular de una mina del municipio de Titiribí la cual
presenta una concentración superior a las demás, incluso a las que explotan por
su mismo método, tomando en base estos patrones se puede decir que para el caso
en particular de la cuenca del Sinifaná el método de
arranque no es un factor fuertemente influyente en las concentraciones de
metano en las minas. La FIGURA 10
muestra la concentración promedio de metano en el ambiente mientras se
realizaba el arranque de carbón para cada mina.
Además del método de arranque existen otros factores
que influyen en las concentraciones de metano obtenidas en los resultados, por
ejemplo, la ventilación. En la cuenca del Sinifaná de
las 14 minas visitadas 4 aun cuentan con ventilación por tiro natural. En las
minas con ventilación mecánica se evidenciaron concentraciones promedio menores
que las que contaban con ventilación totalmente por tiro natural como se
evidencia en la FIGURA 8.
Las concentraciones en minas que ventilan sus frentes
con ventilación natural son mayores debido a que el caudal que ingresa no es
suficiente para que las emisiones de metano que se producen durante el arranque
del carbón se diluyan. En estos casos de ventilación por tiro natural se logró
evidenciar en algunas de las minas concentraciones mayores a 20 LEL, es decir,
mayores a 1% en volumen de Metano.
FIGURA 5
A. Perfil De Concentraciones Durante El Arranque En Mina Jp (Extracción Por Pica Y Pala). B. Perfil De
Concentraciones Durante El Arranque En Mina M (Extracción Por Pica Y Pala).
FIGURA 6
A. Perfil De Concentraciones Durante El Arranque En Mina Cm (Extracción
Por Martillo Neumático). B. Perfil De Concentraciones Durante El Arranque En Mina
Lm (Extracción Por Martillo Neumático).
FIGURA 7
A. Perfil De Concentraciones Durante El Arranque En Mina Sf (Extracción Por Voladura). B. Perfil De Concentraciones
Durante El Arranque En Mina A (Extracción Por Voladura).
En vista de que las condiciones del carbón pueden
variar de acuerdo a la ubicación de este, es importante también analizar las
concentraciones promedio por municipio. Conforme a esto la FIGURA 9 muestra las
concentraciones promedio por municipio, en la cual se notó que las
concentraciones más altas se encuentran en minas del Municipio de Titiribí.
Este resultado va de la mano con la correlación anterior por ventilación, ya
que la mina en la que se obtuvo mayores concentraciones debido a su sistema de
ventilación natural se encuentra en este municipio, mientras que en los demás
municipios se encuentran en un rango similar entre ellos (menores a 6 LEL).
Por los análisis y resultados obtenidos es posible
decir que el factor más influyente por el cual se presentan condiciones
peligrosas de acumulación de metano es la ventilación, las velocidades bajas
del aire favorecen la estratificación y acumulación de este en algunos puntos.
Otro factor que incrementa el riesgo de concentraciones altas de gas son las
llamadas bolsas de metano, que normalmente son zonas asociadas a fallas
inversas (Seidle, 2011),
en las cuales este se acumula y son encontradas en el avance de los trabajos
mineros, liberando todo el gas en poco tiempo, haciendo que la ventilación que
se utiliza en dicho momento no sea suficiente y por lo tanto, se pueden
presentar fácilmente accidentes fatales.
FIGURA 8
Concentraciones De Metano Según El Tipo De Ventilación.
FIGURA 9
Concentraciones Promedio De Metano Por Municipio.
FIGURA 10
Concentraciones Promedio De Metano Durante El Arranque En Las Minas
Visitadas.
Para el cálculo cuantitativo de las emisiones de
metano en los frentes se partió del uso de las concentraciones promedios
durante los ensayos y los caudales de aire en los sitios de explotación que
fueron medidos con un anemómetro digital. La ecuación 1 muestra como calcular el caudal de emisiones de
metano durante el arranque de carbón.
(1)
Donde, QCH4 es el caudal de emisiones de
metano en m3/s, Qa es el caudal de aire
medido en m3/s y CCH4 es la concentración de metano
promedio en el ambiente en LEL.
La ecuación 1 se
debe multiplicar por un factor para realizar la conversión de unidades, esta
conversión es 5%Vol corresponde a 100 LEL.
Sabiendo esto, la TABLA 3 muestra las minas donde se realizaron los ensayos con
sus respectivos caudales medidos, concentraciones promedios y emisiones de
metano calculadas. Adicionalmente las minas donde el anemómetro no era capaz de
medir la velocidad del aire en el túnel debido a que era muy baja se les dio un
valor de “menor a 0,5 m/s” que es el rango de incertidumbre del equipo
utilizado, en algunos casos fue posible medir caudales menores gracias a que se
poseían ductos de ventilación donde si era posible medir una velocidad al aire.
TABLA 3
Minas Con Sus Caudales De Aire, Concentraciones Promedio De Metano Y Sus
Emisiones De Gas.
En la TABLA 3 se
puede observar que las emisiones de metano en el tiempo muestran valores
bastante bajos siendo el mayor de 0,00402 m3/s, lo que también
apunta a que el riesgo más latente son las acumulaciones del gas en los puntos
críticos, es decir donde no hay ventilación.
CONCLUSIONES
·
Durante las visitas realizadas en minas a lo largo de
la cuenca del Sinifaná, no se evidenciaron
concentraciones que representen riesgos de explosiones por metano, por lo que
es posible decir que los eventos de este tipo ocurridos en la cuenca
corresponden a situaciones particulares donde las concentraciones se
incrementan rápidamente hasta el rango de explosividad, como lo son el caso de
las acumulaciones en puntos críticos o las bolsas de metano.
·
Debido a las características geológicas del carbón,
las concentraciones registradas de metano en las minas son muy bajas, así, para
evitar el riesgo de explosiones se debe enfocar en controlar las acumulaciones
de gas por medio de ventilación mecánica y garantizando el régimen turbulento
en los túneles para que el metano no se estratifique en el techo.
·
Hay factores más influyentes que otros en la creación
de atmosferas explosivas, como lo es el caso de la profundidad a la cual se
encuentran los frentes de explotación, la ventilación principal que en algunos
casos es por tiro natural, encuentra mucha resistencia aerodinámica en los
trabajos muy alejados, llegando poco caudal a estas zonas. En este tipo de
casos es necesaria ventilación auxiliar para evitar concentraciones altas de
metano.
·
Cuantitativamente se obtuvieron emisiones de metano
constantes que no representan un riesgo a la seguridad ya que son muy bajas,
aunque cabe que en el trascurso del tiempo este podría acumularse en sitios sin
ventilación.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su profundo agradecimiento a las empresas mineras y
pequeños mineros que permitieron realizar mediciones y pruebas en sus
instalaciones, por permitir y promover estas investigaciones.
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