Drenaje

ÍndiceIntroducción

1.- origen del agua de las minas 1.1.- Ciclo hidrológico 1.2.- Hoya hidrográfica 1.3.- Agua subterránea 1.3.1.- Calidad del agua subterráneas 1.3.2.- Calidad del terreno. 1.3.3.- Distribución del agua subterránea. 1.3.4.- Circulación del agua subterránea.

2. Efectos de las aguas en las minas. 2.1.- Minería a cielo abierto 2.2.- minería subterránea

3. Medidas para prevenir inundaciones 3.1.- Influencia del origen. 3.2.- Métodos de desagüe y control de inundaciones.

4. Bombas. 4.1.- Bombas centrífugas. 4.2.- Terminología. 4.3.- Cálculo de potencia necesaria. 4.4.- Curvas características. 4.5.- Bomba mamut. 4.6.- Bomba de eyector o pulsador.

5.- Instalación de bombas y pozos colectores.

6.- Tuberías y accesorios.

7.- Selección de bombas.

Bibliografía.

Introducción

En estos apuntes se trata de dar una visión general de los problemas planteados por a presencia del agua en las explotaciones mineras, así como de las soluciones más frecuentes a esos problemas.

Se han redactado con el ánimo de facilitar la compresión y estudio del desagüe de minas a los alumnos de Ingeniería en Minas. Con dicho fin se ha recopilado información de varios autores, haciendo énfasis en lo relativo a bombas, equipos de aplicación múltiple en las operaciones mineras.

La teoría matemática se ha reducido al mínimo posible para subrayar los aspectos prácticos.

1.- Origen del agua en las minas.

1.1.- Ciclo hidrológico

El agua evaporada de mares, lagos, ríos, etc. por la energía solar, se condensa y vuelve a la superficie terrestre como agua meteórica: lluvia, granizo, nieve. Esta agua se reparte en:

Aguas Superficiales: se dirigen hacia el mar o lagos y parte se evapora en el recorrido.

Aguas Infiltradas: se infiltran bajo el suelo, dividiéndose en: aguas subterráneas profundas o estancadas, aguas subterránea en movimiento y agua que se evaporan directamente o por intermedio de las plantas.

1.2.- Hoya hidrográfica.

Las aguas superficiales e infiltradas en movimientos bajo la acción de la gravedad, forman corrientes de agua que se suman a otras formando caudales cada vez mayores. Cada cauce de corriente de agua, superficial y/o infiltrada, tiene un área a la cual sirve como desagüe, que se llama la hoya de dicho cause. Los límites de las hoyas hidrográficas son las líneas formadas por las cumbres de las cadenas de cerros o líneas divisorias de aguas.

1.3.- Agua subterránea

1.3.1.- Calidad química

No son nunca químicamente puras. Su contenido en sales es siempre mucho mayor que las aguas superficiales. Es decir son aguas “duras” en comparación a las superficiales que son “blandas”. Esto trae por consecuencia un mayor costo en el “ablandamiento” de las aguas subterráneas para ser utilizadas en calderas por ejemplo. Las substancias en disolución las obtiene de la desintegración de rocas, de los gases del aire, de los gases volcánicos y de fuentes orgánicas. También pueden estar mezcladas con agua salada en las costas.

A veces se clasifican como minerales o no minerales según contengan grandes cantidades de sales o no, especialmente en relación con las vertientes, también se pueden dividir en termales o no termales según su temperatura.

1.3.2.- Características del terreno

El material que contiene el agua subterránea es heterogéneo y son necesarios conocimientos de geología y mecánica de suelos para estudiar los fenómenos de escurrimiento subterráneo, se pueden dividir en:

Acuíferos: materiales que pueden conducir agua en cantidad apreciable.

Acuiclusos: materiales que siendo porosos y capaces de absorber agua lentamente, no la conducen por lo menos en cantidad suficiente para abastecer un pozo o vertientes, ejemplo, las arcillas que pueden contener hasta un 50% de agua, pero no la conducen.

Acuífugos: Materiales absolutamente impermeables, ejemplo: rocas sanas, como granito, sedimentos bien cementados. (Formación sin intersticios interconectados y, por tanto, incapaz de absorber o trasmitir agua).

Zona Sub zona de agua edáfica de Sub zona de agua peculiar y gravitacional

aireación Sub zona de agua capilar Nivel freáticoZona de Sub zona de agua escurrimiento o

saturación Sub zona agua profunda o estancada Hidrostatico

- Zona de aireación: Se define como la capa que se extiende desde la superficie hasta el nivel hidrostático.

- Sub-zona agua edáfica: En esta zona actúan las raíces de las plantas. Varía de algunos decímetros hasta varios metros de profundidad.

- Sub-zona agua pelicular y gravitacional: El agua envuelve los granos en forma de películas y es retenida en algunos intersticios, pero sin llenarlos totalmente. El exceso de agua, que no puede quedarse retenido como agua pelicular o en los intersticios, se mueve hacia abajo.

- Sub-zona agua capilar: El agua asciende desde la zona de saturación. Puede variar de pocos milímetros hasta 3 metros de espesor, dependiendo del tamaño de los huecos del terreno. La altura de ascensión es inversamente proporcional al diámetro de los conductos.

En la zona de aireación pueden existir “napas colgadas”, que son volúmenes de agua que ocupan y saturan los huecos pero no se escurren y que se deben a depósitos de pequeña extensión que se forman por materiales impermeables.

En esta zona predomina el movimiento de infiltración variando de 1-3 m/mes a 1-3 m/año (3).

- Zona de saturación: Se define como la capa que se extiende desde el nivel hidrostático hacia abajo. En esta zona todos los espacios porosos en las rocas se consideran llenos de agua.

- Sub-zona de agua de escurrimiento: Los movimientos laterales son

predominantes al desplazarse el agua hacia los canales acuíferos superficiales. Las velocidades varían entre amplios límites: 2-3 m/hora a 5 m/año. (3) (5).

El agua puede escurrir como napa libre, en forma semejante a la de un canal o bien a presión, como en una cañería. Los pozos que captan agua a presión se llaman pozos artesianos porque en 1750 se ejecutaron en Artois, en Francia, los primeros pozos con agua a presión. Inicialmente el término artesiano se refería a pozos donde el agua salía libremente a la superficie, pero ahora se aplica a cualquier pozo en que nivel sube en cierta magnitud dentro del pozo.

- Sub zona de agua profunda o estancada: Es agua sin movimiento. Suelen ser muy “duras” o sea ricas en sales. Se presenta en accidentes del subsuelo impermeables que barreras al escurrimiento.

La infiltración del agua tiene un límite puesto por la permeabilidad de las rocas que decrece con la profundidad y por el gradiente geotérmico que excluye la existencia de agua fluida. El agua subterránea existe como una envoltura que rodea la parte externa de la tierra, con una base

irregular, y que se acumula especialmente en zonas favorables por su permeabilidad y ubicación.

Según el clima y ubicación topográfica de un lugar, dependerá el mayor o menor desarrollo de cada zona y sub-zona. Además los límites entre ellas sufrirán variaciones estacionales o de mayor plazo según las variaciones del clima.

Agua en las rocas.

Se clasifican según su conducción del agua subterránea en:

- Rocas ígneas.

a) Intrusivas: granito – diorita – andesita – basalto – diabasa.Malos acuíferos y el agua escurre solo por grietas y fisuras. Porosidad menos 1% del volumen total.

b) Extrusivas: LavasAlgunas son acuíferos pero de poca importancia. Siempre que sean vesiculares y diaclasadas.

- Rocas sedimentarias.Areniscas: buenos acuíferos en general. El agua puede escurrir hasta más de 1.500 m. de profundidad. Porosidad de 15 a 50% del volumen total.

Calizas: normalmente impermeable pero en ellas se forman grietas y aun cavernas debido al ataque de CO2 por donde escurre el agua formando a veces verdaderos ríos subterráneos.

Pizarras: Son cacuiclusos.

- Rocas metamórficas: Cuarcitas, mármol, esquistos.No son acuíferos, excepto a veces el mármol.

1.3.4. Circulación del agua subterránea.

Ley de Darcy:

Principio de Dupuit.

2. - Efecto del Agua en las Minas.

2.1. - Minería a cielo abierto (4)

Es afectada tanto por las aguas superficiales (lluvia, nieve, filtración a partir de ríos y lagos) así como de aguas subterráneas.

El equipo usado en la minería a rajo abierto no opera eficientemente bajo condiciones húmedas o barrosas. El costo de mantención aumenta debido a las perdidas de lubricantes y a la acción abrasiva del agua barrosa.

El agua en los tiros puede causar el derrumbe de estos y hacer necesario un mayor uso de explosivos gelatinosos o revestimientos impermeables.

El transporte de mineral estéril húmedo significa un gasto inútil en mover agua.

El mineral húmedo se pega en poleas y correas transportadoras, se amontona en chancadores, de cono especialmente, tapándolos o estrechándolos, así como en harneros, parrillas, canaletas y tolvas.

El agua puede causar seria erosión en las paredes de los bancos provocando su desmoronamiento.

2.2. - Minería subterránea.

Es afectada especialmente por las aguas subterráneas. A los inconvenientes citados para la minería cielo abierto se agrega:

- condiciones especialmente desagradables de trabajo que obliga al uso de ropas impermeables y botas.

- Debilitamiento de la enmaderación- Peligro de inundaciones repentinas- Posibilidad de disolución de sales y su posterior precipitación en el

interior de la mina.

3. - Medidas para Prevenir el aflujo de aguas.

3.1. - Influencia del Origen.

Según sea la ubicación del lugar en que esta la mina tendrá mayor o menor importancia el agua subterránea o el agua superficial.

Minas a cielo abierto o subterráneas, ubicadas en lugares alejados de cauces de desagüe de hoyas hidrográficas, presentaran nula o poco agua subterránea. Influirá solo el clima local con agua meteórica. Parte de esta se habrá filtrado siguiendo las estructuras que controlaron la mineralización. En este caso podrá tener importancia la presencia de acuíferos y de estructuras geológicas que produzcan “napas colgadas”.

Al contrario, minas ubicadas en lugares muy próximos a los causes de desagüe de hoyas hidrográficas, presentaron agua subterránea. El clima, seco o lluvioso en el lugar de ubicación, influirá muy poco. La cantidad de agua subterránea a encontrar será función fundamentalmente de la hoya hidrográfica. Mayor cantidad o mayor precipitación en la hoya. La mina puede estar ubicada lejos de la zona de precipitaciones (zona de recarga) de la hoya. Influir también la presencia de acuíferos o de estructuras (grietas, fallas), que facilitan la infiltración.

3.2. - Métodos de desagüe y control de flujos de agua.

Los métodos usados para desaguar incluyen: canalizaciones, bombeos de pozos recolectores a cielo abierto o subterráneos, túneles, piques, pozos de desagüe y cementación. La selección del método o combinación de métodos esta determinado por el costo en comparación a las economías producidas. En explotación subterránea con peligro de romper napas colgadas o explotaciones antiguas inundadas, se deben efectuar sondajes de reconocimiento.

- Canalización:

La desviación del agua superficial de los bordes de una mina a tajo abierto, es obviamente más barato que el bombeo. Este bombeo es válido para la ubicación de los accesos (bocas de pique y socavones), de minas subterráneas y su defensa de las aguas superficiales, permanentes u ocasionales.

- En la Zona Norte del país se debe tener en cuenta la posibilidad de aluviones en las quebradas, sería ilógico ubicar piques o socavaciones en el fondo o muy próximo al fondo de quebradas en que existiera esa posibilidad, aún remota. Sin embargo se ha producido la inundación de minas por esta causa.

En la Zona Central y Sur la abundancia de lluvias hace recomendable o necesaria la construcción de canales de desviación de las aguas.

En la cordillera se debe tener en cuenta además el peligro de avalanchas de nieve.

En las zonas Central y Sur así como en la cordillera, debido al exceso de lluvias y nieve, normalmente las explotaciones a cielo abierto se realizarán sólo en la temporada de primavera a principios de otoño. Se trata de yacimientos no metálicos: calizas y arcillas fundamentalmente.

- Bombeo desde colectores:

En minas a rajo abierto con climas lluviosos, el piso de los bancos debe tener inclinaciones para dirigir las aguas lejos de los frentes de explotación. El agua se colecta en los puntos más bajos, donde se excavan estanques con la profundidad y tamaño suficiente para que operen las bombas y se decante el agua antes de ser bombeada.

El tamaño de los estanques debe guardar relación con el máximo flujo y duración esperada y con la capacidad de bombeo. Se debe tener una capacidad de bombeo de reserva para afrontar períodos de mantención de falla de las bombas en servicio, o bien aumentar la capacidad de los estanques colectores.

Lo dicho antes se aplica en minas subterráneas.

Las labores basta que tengan una inclinación de 0.1%.

El agua debe ir canalizada a un lado de las galerías. En lo posible en canales tapados para impedir su obstrucción. En caso de terrenos muy agrietados puede ser conveniente revestir las canaletas para evitar la infiltración.

- Túneles de drenaje:

En situaciones topográficas especiales, puede ser factible construir túneles de drenaje, lo cual permite desaguar toda el área por sobre el túnel. En caso de que la mineralización continuara en profundidad, el túnel necesitará bombear el agua hasta la superficie.

- Pozos:

El drenaje desde los pozos se presta para llevar adelantadamente el nivel de agua subterránea más abajo del piso inferior en explotaciones a rajo abierto. Con este fin puede ser necesario perforar varios pozos. Se produce así un efecto de traslapamiento de los “conos de depresión” aumentando su efecto.

Los pozos pueden ser ubicados en torno al límite del rajo o bien en el interior de este. Es preferible la primera posibilidad, evitándose un nuevo bombeo hasta la superficie.

En Europa, Alemania, se han alcanzado hasta 250 m. de profundidad con pozos para drenar zonas de yacimientos de carbón.

- Sondajes de reconocimiento :

Al avanzar en labores subterráneas en zonas en que se teme romper napas colgadas o labores antiguas inundadas, se debe avanzar efectuando taladros de reconocimientos de 6 m. como mínimo de longitud en roca firme y de 20 m. en rocas blandas. Se puede evitar así inundaciones repentinas o golpes de agua. Si los sondajes rompen una napa o zona inundada, puede ser taponado para instalar válvulas de regulación o bien aumentar su número para acelerar la descarga de la napa.

Diques de cierre (3), (5)

Se utilizan cuando las labores están amenazadas de inundaciones y se desea mantener un sector libre y abandonar otro, Esto por regla general se hace en labores horizontales.

En caso de que se tema inundaciones repentinas se pueden construir diques con compuertas que permanecen abiertas mientras pueda mantenerse en la explotación. No se colocan nunca en labores verticales.

La elección de la ubicación es importante. El terreno debe ser firme, sano, compacto y desde luego impermeable, No sirven rocas acuíferas como areniscas y conglomerados. Las más adecuadas son las compactas y que contienen arcillas como las pizarras siliceo-arcillosas. No conviene emplear explosivos para abrir los estribos (apoyo de la cortina de roca), evitando así agrietaduras. Se debe usar martillos picadores o bien tronaduras controladas (Pre-corte)

Los tapones o diques deben ser con estribos en forma de diente de sierra, lo que les da mayor superficie de adherencia a la roca.

Como seguridad, para elevar la resistencia de los diques se aconseja (3) introducir en la roca firme anclajes de fierro de 40 a 50 mm. de sección cuidando de no dañar la estructura de las paredes de roca.

Como hormigón se aconseja utilizar una mezcla de 350 Kg. de cemento por m3 de hormigón, con áridos bien clasificados. Se debe utilizar concretos puzolánicos que presentan mayor resistencia al ataque de aguas ácidas.

En general, para presiones de algunas atmósferas bastará con espesores de 1 a 2 metros.

Conviene dejar instaladas tuberías que pasan de lado a lado del dique, previstas de válvulas para una eventual descarga. También deben tener conexión para un manómetro que indicará la altura de agua que se este soportando.

Las compuertas (3) se componen de los estribos, el marco y la compuerta misma.

Para presiones de hasta 60 atmósferas (60 m. de columna de agua) los estribos y marco se construyen siguiendo las indicaciones para calcular diques.

Cuando la presión no es mayor de 30 a 40 atmósferas (aproximadamente 300 a 400 metros de columna de agua) la compuerta misma se construye con chapa de acero forjado de 35 a 65 mm. de espesor. Para presiones mayores se construyen de plancha de acero fundido con espesor adecuado a las presiones a resistir.

Las dimensiones pueden ser: ancho 0.9 a 9.7 m.; alto 1.8 a 2.0 m. Para compuertas grandes, dado su peso y dimensiones, se construyen en varias piezas que se acoplan y atornillan en el interior de la mina, usando empaquetaduras de plomo. Este mismo tipo de empaquetadura se utiliza para cierre hermético de la compuerta.

En el marco, bajo la compuerta a media altura deben ir tubos con válvulas de cierre. El de abajo para permitir el paso del agua mientras la compuerta esta abierta. El de arriba, para eventuales desagües, debe tener además conexión para manómetro.

- Cementación: (10) Se puede utilizar con dos fines:

- Impermeabilización.- Consolidación.

Se consigue con la cementación desviar los flujos de agua de las labores así protegidas. No se actúa sobre el nivel freático.

Generalmente la inyección de los morteros se hace por perforación del menor diámetro posible, lo normal de 7¨ a 5¨ de diámetro y de 20 m. de largo o más realizadas con herramientas de percusión o rotación, las cuales conviene lavar con agua para retirar los detritus. La separación entre perforaciones será mayor si hay muchas fisuras y viceversa. Puede variar de 1 a 10 m. según las circunstancias.

Los morteros pueden ser de tres tipos:

- Liquido Ej.: Silicato de sodio. Resina sintéticas hidrocarbonatos (asfalto licuado con calor).

- Inestables: Agua con cemento (y arcillas etc., más un estabilizador que demora la sedimentación por algunas horas.

- Estables: Agua con arcillas, cemento y arcillas etc. más un estabilizador que demora la sedimentación por algunas horas.

En minería los más usados son los inestables, del tipo cemento/agua en relaciones de 9/10 a 1/1. Los morteros más densos se usan en fisuras grandes (decímetros a milímetros de abertura), incluso con agregado de arena fina.

La inyección se hace por medio de bombas a émbolo, accionadas con motor de velocidad regulable. La presión de inyección puede variar de 1 a 2 Kg./cm2 para fisuras grandes, hasta 50-60 Kg./cm2 para fisuras finas.

La inyección se debe hacer por tramos de taladro de no más de 5 m. desde el fondo hacia arriba, usando tapones especiales para limitar los tramos.

4) Bombas.- (1), (7), (9)

Son maquinas que aspiran un fluido a través de una bomba de aspiración y lo expulsan por otra de impulsión. Pueden servir para hacer circular un liquido, como en un conducto, para elevarlo, como se hace desde un pozo a lo alto de un edificio o a zonas lejanas, o para someterlo a presión, como en un freno hidráulico. Estas aplicaciones dependen principalmente de la curva característica de impulsión de la bomba. Se puede También emplear para vaciamiento, casos en que su aplicación depende de la característica de aspiración.

Están basadas en el siguiente principio en el caso de la elevación:

1) Si se extrae el aire desde un compartimiento llamado cámara de trabajo, creando un vacío parcial, la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del líquido que se desea elevar, formará a este líquido hacia la cámara de trabajo. En dicha cámara existen elementos móviles (émbolos, rotores) que lo expulsan hacia fuera a través de un conducto llamado descarga.

Existen diversas clasificaciones de las bombas, según sus aplicaciones, forma de funcionar, etc.

En cuanto a la forma de funcionamiento se clasifican como sigue:

a) Centrífugasb) Rotatoriasc) Alternativasd) Varias

a) Centrifugas:

Están constituidas por una caja dentro de la cual rota un rodete con paletas que le imprimen gran velocidad al líquido. La transformación de energía cinética en la energía de presión necesaria se realiza en canales especiales fijos llamados aparatos de guía.b) Rotatorias:

Consisten en una caja fija contiene engranajes, tornillos, álabes, aspas, pistones u otros elementos que son actuados por rotación del eje motriz. Se caracterizan por tener un pequeño juego y por no tener válvulas de succión o descarga. Tienen un gasto formado por pequeños golpes de agua como en las bombas de émbolo, pero que prácticamente es continuo.

c) Alternativas:

Están formadas por un cilindro dentro del cual se mueve un pistón que aspira o impele el líquido mediante la acción de válvulas. Son llamadas corrientemente bombas de émbolo. Producen un fuljo o gasto intermitente.

d) Varias:

En este grupo se incluyen los eyectores, los arietes, bombas de aire comprimidos (mamut) etc.

En la actualidad las bombas centrifugas mueven más fluidos que todas las demás tipos juntos. Esto también verdad en el desagüe de minas, donde las bombas centrífugas son las más utilizadas.

Otros tipos utilizados algunas veces el desagüe son las bombas mamut y bombas eyectoras. Describiremos estos tipos de bombas.

El accionamiento es generalmente con motor eléctrico con rotor en corto circuito (jaula de ardilla). No es raro en minería los morotes a aire comprimido.

4.1 Bombas centrifugas:

Se caracterizan por:

- Uniformidad de capacidad - Tipos disponibles para gran variedad de caudales, alturas e inclusos aguas

impuras- Fácil control del caudal- Pequeño tamaño en comparación a otros tipos- Pequeño cimiento en comparación a otros tipos- Fácil mantención en comparación a otros tipos.- Rendimiento de un 70% a un 78%.- Altura máxima de aspiración 7 m. a nivel del mar que baja a 4 m. a s .n .p

Necesita una presión alta y pequeño caudal o cuando la viscosidad del fluido es demasiada elevada. Ejemplo. Bombas de engranajes para aceite en lubricación forzada.

Se pueden clasificar de variadas maneras:

a) Existen dos tipos principales según exista o no difusor.

- Tipos voluta: El impulsor rota dentro de una caja en forma de espiral, cuyas sección se va ensanchando progresivamente

- Tipos difusor o de paletas directrices: existen paletas directrices fijas que rodean al impulsor, de modo que el líquido cambia de dirección al mismo tiempo que ensancha su sección.

b) Existen dos tipos según la succión sea doble o simple, si el agua entra por uno o dos lados del rotor.

c) Existen dos tipos según hallan uno o varios rodetes; con un rodete son de una etapa para cargas grandes, (alturas de elevación) se pueden montar uno o más impulsores o rodetes en una misma caja, de modo que la descarga de uno llega directamente a la aspiración del siguiente. En bombas corrientes de ejes horizontales generalmente se usan más de una etapa, para alturas superiores a 50 m. En bombas de ejes vertical (pozos profundos) se usan varias etapas normalmente y cada etapa corresponde a alturas mucho menores que las indicadas siendo corriente que exista una etapa para cada 10 m. aproximadamente. Existen dos tipos: con motor en la superficie y con motor sumergido. Las primera tienen un eje que va por el centro d el tubería y acciona la bomba. Las segundas tienen su motor directamente conectado a la bomba, debajo de ella, de modo que todo el conjunto esta enteramente sumergido. Este tipo es fabricado especialmente en Europa.

d) Existen tres tipos según sean los rodetes o los impulsores utilizados.

- Rodete radical o centrifuga- Rodete axial radial (mixto o helicoidal)- Rodete axial (Hélice)

La forma de los rodetes varía de modo continuo desde los radiales hasta los de flujos axiales.

- Para las presiones altas con caudales pequeños el rodete tendrá diámetro grande y poco espesor, álabes curvados solamente en el plano de la rotación (rodete radial).

- Para presiones altas y medias y caudales grandes se reduce el diámetro del rodete, se aumenta el espesor o anchura del conducto y se da a los álabes dobles curvaturas, (rodete axial radial) según el plano de la rotación y según el plano perpendicular.

- Para presiones pequeñas y grandes caudales se emplean el rodete axial o hélice.

e) Existen tres tipos según que los rodetes estén cerrados o abiertos:

I) Abiertos, que tienen las paletas sin paredes lateralesII) Semiabiertos, con pared a un solo ladoIII) Cerrados, con paredes a los lados.

Los rodetes cerrados se usan para agua pura y los abiertos para agua con sólidos, trapos, melazas, etc.

Terminología

En la elevación de líquidos se usa la terminología siguiente:

Altura estática de aspiración: Es la diferencia de niveles entre la superficie del líquido por elevar y el eje de la bomba.

Altura estática de impulsión: Es la diferencia de niveles entre el eje de la bomba y la cota piezométrica superior (superficie del liquido en el estanque superior se la entrada es ahogada).

Altura estática de elevación total: Es la diferencia entre las cotas piezométricas inferior y superior.

Todas estas alturas estáticas son alturas geométricas.

Las correspondientes alturas dinámicas son iguales a las estáticas más las pérdidas de carga.

Normalmente la llegada al nivel superior no es ahogada, sino que la cañería desagüe libremente a la atmósfera. En este caso la altura de impulsión o la altura total están determinadas por la cota del eje de la cañería, pero a la altura dinámica hay que agregar el término v2 / 2g. ya que se entrega el agua con velocidad “v”.

Altura dinámica: Altura estática + pérdida de carga v2 / 2g. En la mayoría de los casos este término es despreciable.

Cuando el extremo final de la cañería está doblado hacia abajo, se produce una acción de sifón y la altura de elevación se debe tomar hasta el extremo inferior de la cañería, mes decir hay que descontar el tramo descendente.

Cebado: Se llama así a la operación que consiste es extraer el aire de la cañería de aspiración para que quede llena de líquido. Se efectúa de dos maneras:

- Llenando la cañería con liquido desde una fuente exterior o bien desde la cañería de impulsión por medio de una desvió (by-pass).

- Extrayendo el aire por medio de una bomba de vacío.

La cañería de aspiración debe tener en su extremo inferior una válvula de retención que permite mantenerla llena de líquido.

El 90% de las faltas de las bombas se debe a filtraciones de aire en la aspiración.

Cálculo de potencia necesario: Para elevar 1 Kilogramo por segundo a la altura de 1 metro, se necesita una potencia de 1 kg./seg.

Para elevar Q Kg./seg., a la altura H metros, se necesita:

Potencia W: Q * H kg-m/seg.

Para expresarlo en caballos y teniendo en cuenta el rendimiento tendremos:

Si suponemos rendimiento de 66% de la bomba:

W = 0.02 Q*H CV Q en Kg./seg.W = 20 Q*H CV Q en ton./seg.

Que es la fórmula aproximada de la potencia para una bomba, moviendo líquido de densidad 1.0.

El valor del rendimiento supuesto es el corriente en grupos de elevadores de tamaño mediano aunque es superior en los grandes e inferior en los pequeños.

Si suponemos rendimiento de 85% del motor.

La altura de elevación H incluye las pérdidas en cañerías.

Curvas características: Cada bomba centrífuga tiene sus curvas características que es la relación gráfica entre el caudal Q y la carga, presión o desnivel H a elevar, el rendimiento y la potencia.

Es indispensables conocer las curvas características antes de adquirir una bomba, ya que sólo así se podrá conocer se comportamiento al instalarla en un determinado sistema hidráulico. Curvas Q-H: En abcisas el caudal o gasto Q y en ordenadas la carga total H a velocidad etc.

A una diferencia de presión nula (H = 0) corresponde el máximo caudal Q, pero sin trabajo útil.

A un caudal nulo (Q = 0) corresponde un valor H llamado “presión de cierre” que tampoco da trabajo útil. Es la presión que desarrolla la bomba cuando la válvula de salida está totalmente cerrada y es generalmente un 15 a 30% superior a la presión normal de operación.

Las bombas centrifugas al contrario que las de émbolos, permiten que se cierre la válvula de salida pues su presión de estrangulamiento es limitada y su caja resiste perfectamente esa presión.

En estos casos toda la potencia aplicada a la bomba se transforma en calor y puede producirse el calentamiento y destrucción de la bomba si este calor no se puede disipar a la atmósfera. Esta situación es muy probable especialmente en las bombas revestidas con goma que manejan relaves y otros liquidos y sólidos.

Las curvas pueden ser crecientes o decrecientes denominadas inestables o estables respectivamente.

Curva Q- Potencia: A un caudal Q = 0 se consume el mínimo de potencia (Q = 0 o sea con válvula carrada) que se gasta sólo en presionar el agua contra la válvula. Es aproximadamente 50-60% de la potencia normal de funcionamiento.

Efectivamente es adecuado por este motivo hacer partir las bombas con la válvula totalmente estrangulada y se va abriendo poco a poco.

Curva Q- Rendimiento: A un caudal Q = 0 corresponde un R = 0 y llega al máximo rendimiento para la condición de funcionamiento normal. Luego empieza a descender. Las pérdidas de rendimiento de una bomba pueden ser:

I) Hidráulicas: Debido a pérdidas de carga al escurrir el líquido. Dependen de la velocidad del líquido y la velocidad es proporcional al caudal.

II) Mecánicas: Debido a rozamiento mecánicos.III) Filtración: Debido a que una pequeña cantidad de agua se filtra desde

el largo de alta presión hacia el lado de baja presión.

Curva de carga del sistema: La curva que indica la presencia entre la pérdida de carga total y el caudal Q, corresponde en forma definida a una cierta tubería sin tomar en cuenta la bomba que se utiliza y el lugar de trabajo.

Las pérdidas de carga total es igual a las pérdidas de carga por frotamiento en las tuberías más las pérdidas de carga especiales en las singularidades.

Estas perdidas son directamente proporcionales al caudal al cuadrado:

De esta ecuación resulta que la curva de carga del sistema es una parábola cuyo vértice se encuentra en las ordenadas a las distancia H0 del origen, de modo que:

Curva de carga del sistema.

Altura de expulsión Impulsión 64 mm. Tuberia total: 102 mm.Largo tubería de impusión 122 m. 1224 Codos- largo equivalente de tubería 4 * 1,89 m. = 7,56 4 * 3,1 m. = 12,41 Válvula de retención de tuberia 1 * 4,85 m. = 4,85 1 * 7,9 m. = 7,91 Válvula 1 * 0,4 m. = 0,4 1 * 0,64 m. = 0,64Longitud total para calcular fricción 134,81 142,94Perdida por fricción cada 100 m. 46,3 m. 4,29 m.Perdida total por fricción en la impulsión 46,3 * 134,81/100 62,4 m. 4,29 * 142,94/100 6,10Elevación geometrica de bomba al depósito 17,7 17,7Impulsión presión del depósito 10 * 0,7 m. = 7,0 10 * 0,7 m.= 7,0Elevación correspondiente a la velocidad 0,8 0,1Altura total de impulsión 87,9 30,90 m.

Altura de aspiraciónLargo tubería de aspiración 7,6 7,6 m.2 codos- largo equivalente de tuberia 2 * 3,1 6,22 * 3,1 6,2Vávula de pie equivalente de tuberia 0 0longitud total para calcular frición 13,8 m. 13,8 m.Perdida por fricción cada 100 m. 4,29 m. 4,29 m.Perdida total por fricción en la aspiración 4,29 * 13,8 / 100 0,59 4,29 * 13,8 / 100 0,59Elevación geometrica. Bomba al depósito de aspiración. 1,22 1,22Presión del deposito 0 0Elevación correspondiente a la velocidad 0,12 0,12Altura total de aspiración 1,93 1,93

Altura totalAltura total de impulsión 87,9 30,9Altura de aspiración la equivalente a la velocidad de aspiración 1,8 1,8Elevación manometrica 89,7 m. 32,7 m.

Q = 45 m3/ hora Agua a 22ºCPresión en el depósito 0.7 Kg./ cm2

Altura geométrica 17.7 m. sobre la bomba; 1.22 bajo bombaTubería impulsión 122 m largo

4 codos normales1 válvula retención1 válvula compuesta

Tubería aspiración 7.6 m. largo 4¨ (102 mm.)2 codos1 válvula de pie

Ejemplo

Una bomba girada a 1750 r.p.m. tiene una curva altura-caudal como la representada en la figura:

[m.]

La bomba impulsa una agua a través de una tubería de 15 cm. de diámetro y 450 m. de largo con f = 0.025. La carga estática es 10.0 m. y las perdidas menores pueden despreciarse. Calcular el caudal y la altura de carga de la bomba en estas condiciones.

Solución

La pérdida de carga en la tubería aumenta con el caudal. Puede dibujarse una curva que representa la altura de carga total de bombeo en función del caudal (curva o trazos).

Altura de carga de la bomba = carga estática + perdidas en tuberías

Q = 0.01 0.02 0.025 0.030 m 3 / seg.V = Q/A = 0.566 1.132 1.415 1.698 m / seg.75 V2/2g. = 1.226 4.903 7.662 11.033 m Altura total = 11.226 14.903 17.662 21.033 m

4.2.- Bomba mamut (air-lift) (7), (8)

Fueron muy utilizadas para bombear líquidos y mezclas de líquidos y sólidos. Han sido desplazadas por las bombas centrífugas de pozo profundo, que son más económicas.

[m3./ seg.]

La mayoría de las aplicaciones actuales de las bombas mamut son en casos especiales en que la principal consideración no es la economía. Su gran sencillez y ausencia de parte móviles en contacto con el líquido son sus ventajas mas evidentes.

Las bombas mamut presentan un rendimiento que varía solo entre 20 a 45%, disminuyendo con caudal y alturas crecientes.

En minería, su uso principal se puede deber a la falta de otra energía que no sea el aire comprimido, o bien a la necesidad de mover mezclas de líquido y sólido o por razones de seguridad y ventilación que impidan el uso de energía eléctrica. En este último caso existiría la posibilidad de usar bomba centrifuga con motor a aire comprimido.

Principio de trabajo:

Se introduce en el pozo una larga cañería a la que se inyecta aire en la base que se mezcla con el líquido, formando una mezcla de gas y liquido que tiene un peso especifico menor que la del líquido que se desea elevar. Según el principio de Arquímedes, esta mezcla se eleva porque el peso de la columna de liquido con aire dentro de la cañería es menor que el de la columna de líquido solo que se halla en el pozo. De esto se deduce que la altura de elevación depende del largo de la cañería que se sumerge en el pozo. Se recomienda elegir la profundidad de sumersión lo más pequeña posible.

El cuociente de esta profundidad partido por la altura de elevación varía entre 1/1 hasta 2/3.

Consumo de aire (8)

El caudal de agua Q (para un altura H) crece con el aumento del flujo de aire hasta llegar a un máximo para luego disminuir ligeramente aun cuando se entregue más aire.

El consumo de aire crece con altura de elevación, primero lentamente y luego con gran rapidez.

Para el cálculo del consumo necesario de aire, se recomienda la siguiente fórmula empírica:

Donde:

Va = Volumen necesario (m3) para elevar 1 m3 de agua.h´ = Altura total de elevación (m).h = Profundidad de inmersión (m).C = Constante según la tabla que sigue:

h´ (m) C3 - 20 24520 - 60 23360 - 160 216160 - 200 185200 - 230 156

Colador

Válvula de pie

Reducción

Tubo de aspiración

Curva de gran diámetro

Manómetro

Válvula de retención

Válvula de corte

Reducción

4.3.- Bomba de eyector o pulsador (5), (7)

Utilizan como medio impulsor del líquido un gas a presión. Habitualmente aire, también se usa vapor, pero en la actualidad esto es muy raro.

A pesar de su rendimiento relativamente bajo, (25% a 40%) son utilizadas para elevar pequeños flujos (3 a 10 mt./ hr.) a no más de 45 mts. de altura. Se emplean en desagüe secundarios, en el interior de las minas, especialmente cuándo la ventilación es critica. Caso típico son las minas de carbón en que el aire utilizado como fuerza motriz colabora a la ventilación, y además se evita el uso de motores eléctricos que puede producir chispas, peligrosa si hay gases inflamables en la atmósfera.

Otra ventaja adicional es su pequeña necesidad de control. Pueden ser ubicadas por esto en lugares de difícil acceso y/o de ambientes tóxicos o posiblemente tóxicos.

Su funcionamiento se basa en la presión ejercida por el aire comprimido sobre el líquido encerrado en un estanque, expulsándola hasta llegar a cierto nivel dentro del estanque. Por medio de un flotador se accionan válvulas que dirigen el chorro de aire hacia el o interior de el estanque, presionando el líquido hacia fuera, o bien hacia el exterior de el estanque, creando un vacío interior que induce la aspiración o entrada del liquido hacia el estanque.

Estas bombas no soportan una altura de succión superior a 2 – 3 mts. También pueden trabajar sumergidos.

Instalación de bombas y pozos colectores (5).

El principal problema en bombas centrifugas que aspiran el agua son las filtraciones en la cañería de aspiración. Es muy importante entonces instalar válvulas de pie en ellas, con empaquetaduras bien ajustadas.

Este problema de filtración se evita, si es posible usando bombas sumergidas, o instalando la bomba bajo el nivel del líquido a bombear.

En las bombas con largas cañerías de presión existe el peligro de que la columna de liquido impulsado por la bomba vuelva hacia esta al interrumpirse la entrega continúa por cualquier causa. Para evitar este “golpe de ariete” se debe instalar válvulas de retroceso a la salida de la bomba.

Puede ser necesario vaciar la cañería de presión, por lo cuál conviene colocar un arranque a la cañería próxima a la bomba.

La bomba se puede hacer girar a mano antes de conectar el motor.

La bomba centrífuga de debe hacer partir contra la válvula de descarga cerrada, la cuál se irá abriendo luego lentamente. Los pozos colectores tienen por fin mantener un volumen de agua que permita a la bomba trabajar con el mínimo de intermitencias posibles y al líquido sufrir una decantación de sólidos indeseables. De la importancia relativa de estos fines dependerá su tamaño, tabiques desviadores de flujo y altura de la succión de la bomba al fondo.

Se debe cuidar que la válvula de salida, válvula de retención y cañerías, no descansen sobre la bomba.

Tuberías y accesorios (6), (1)

Las tuberías pueden ser de:

a) Fierro fundido.

Es el material de mejor calidad en cuánto a resistencia a la corrección. Su duración es de alrededor de 100 años para grandes diámetros. No se fabrica en Chile.

b) Acero.

Las cañerías de acero se pueden fabricar por centrifugación (Mannesmann) o de planchas soldadas. Este último sistema es el que se usa en Chile. El acero es poco resistente a la corrosión y por ello deben protegerse interiormente con bitumen o con mortero de cemento. Su duración es de 25 años con regular protección y hasta 50 años o más bien protegidos.

c) Cemento asbesto.

En Chile se fabrican bajo la marca Rocalit, desde 50 mm. hasta 400 mm. de diámetro.

Resisten presiones moderadas de 120 a 200 mts. de columna de agua.

Son resistentes a la corrosión y no se incrustan. Si el pH es inferior a 6 se reblandecen.

d) Plásticos.

Tienen grandes ventajas: pocas junturas, paredes lisas, no sufren corrosión, resistencia al aplastamiento y poco peso.

Las junturas pueden ser:

- Rígidas

- Semirígidas- Flexibles- Especiales

Las junturas rígidas son aquellas que no permitan desplazamiento longitudinal ni desalineación de las cañerías como las uniones de bridas (o flange soldado o con hilo al tubo) con hilo y soldadas.

Las junturas Semirígidas oponen cierta resistencia a los desplazamientos longitudinales y a las desalineaciones. La unión típica de esta clase es la de enchufe cordón.

Las junturas flexibles permiten cierto juego sin perder su hermeticidad. Son formadas en general por un manguito con anillos de goma de distinta formas y disposiciones.

Las más conocidas son las marcas Gibauld, Dresser, Simples, Supersimples, Vitaulic.

Válvulas.

Pueden ser de 4 tipos:

- De espejo: eje fijo, eje desplazable.- De mariposa.- De asiento- De macho

Las válvulas de espejo consisten en una barrera opuesta al flujo que consiste en un disco o compuerta en forma de cuña deslizante en ángulo recto a la dirección del flujo.

El orificio para el flujo varía rápidamente para pequeñas variaciones de la posición del volante, No se recomienda para un regulación cuidadosa de el flujo.

La válvula de mariposa se utiliza para controlar grandes flujos. Se basa en una compuerta formada por un disco oscilante que gira en torno a un eje diametral.

La válvula de asiento se utiliza generalmente para pequeño caudales. Tiene un tabique horizontal central que separa en dos camaras a la válvula y con un orificio que puede obturarse con una pieza cónica que sube y baja con el volante, esta pieza cónica puede ser muy aguzada, siendo entonces una válvula de aguja. Dan una muy buena regulación de flujo.

La válvula de macho consiste en una pieza cónica interpuesta en el flujo, que tiene un orificio. Un giro en ángulo recto permite abrir o cerrar el paso al líquido. No sirven para regular. Las válvulas mas usadas son las de espejo y mariposa.

Selección de Bombas.

Los factores que se deben considerar son:

1.- Cantidad de agua a ser bombeada.2.- Altura total a elevar.3.- Temperatura del agua.4.- Acidez.5.- Contenido de sólidos.6.- Características de la fuente de energía.7.- Condiciones de servicio.8.- Si es pozo, profundidad y diámetro interior.

En la selección de bombas, eficiencia no es medida tanto por valores numéricos como por una operación económica, servicio mínimo, los costos de reparación y larga vida. Un factor que comúnmente tiene una importancia preponderante sobre otros es la convivencia de las standarización. Reduciendo la variedad de tipos empleados, se mejora la eficiencia reduciendo los inventarios de repuesto y simplificando la mantención y operación del equipo.

Bombeo de estanques colectores

1.- La más usada es la bomba centrífuga horizontal. Sus ventajas en este caso son: a) Las más adecuadas para trabajar con agua con abrasivos sus bajas velocidades que dan baja velocidad al agua y el revestimiento de goma de la caja e impulsor son las principales razones para la superioridad de ellos.

b) La mantención es mas simple ya que toda la bomba está sobre el agua.

c) Unidades equivalentes son menos caras, especialmente en tamaño pequeños.

2.- Las ventajas de “bomba centrífugas” verticales de turbina en estanques colectores son:

a) No se requiere cebado, ya que el impulsor está sumergido. Esto es una ventaja especialmente en operaciones automáticas.

b) Es un tipo muy flexible ya que permite conectarse a otras etapas para alcanzar mayor altura.

c) Se requiere un espacio mínimo para las fundaciones y se pueden incluso instalar sobre flotadores.

d) El motor y la descarga se puede instalar bien arriba del nivel de agua en prevención de inundaciones si sube el nivel al haber fallas.

3.- La ventaja de las “bombas sumergibles” para estanques colectores son: conexiones simples significan una rápida instalación con un mínimo de problemas para el operador.

Bombeo desde pozos profundos

Para el bombeo desde pozos profundos existen en la actualidad dos posibilidades. Ambas con sus propias justificaciones. La elección estará determinada por las condiciones locales, disponibilidad de capital y por el balance energético.

Especialmente, en pozos muy profundos y de pequeño diámetro es donde se prefiere las bombas con motor sumergido, ya que su montaje es más sencillo, produciendo economías en las obras civiles, ya que en vez de una sala de motores es necesario tan solo un pozo de inspección. El precio de compra de estas bombas es inferior al de las bombas de pozo profundo de motor en superficie y de igual potencia, especialmente en pozos de gran profundidad en que serían necesarios ejes de transmisión muy largos.

Las bombas de motor sumergido por otra parte, tienen menor rendimiento y menor seguridad de funcionamiento que las bombas con motor en superficie.

En USA lo común es el empleo de bombas con motor en superficie. En Europa es mas frecuente las bombas con motor sumergido, cuyas ventajas y desventajas se pueden resumir así:

Ventajas

a) Conviene su uso cuando debe estar a más de 100 mts. de profundidad ya que se economiza el eje y los descansos.

b) Se pueden usar en pozos muy desalineados para el eje de la bomba con motores en superficie.

c) Instalación mas simple y rápida sin necesidad de lubricación y mantención periódica.

Desventajas

a) No son recomendables para aguas corrosivas o con abrasivos.

b) Son más caras en caso de que deba quedar a menos de 75 mts. de profundidad.

c) Requieren mantención especializada. Ojala de los mismos fabricantes. Los cables eléctricos requieren cuidadosa y periódica revisión de su aislamiento.

A

A. Bomba sumergible para pozos estrechos y muy profundos.

B

B. Bombas para pozos profundos normales. Es la solución más segura en cuanto a funcionamiento y la más económica.

C

C. Bombas centrífugas horizontales para pozos con nivel de agua subterránea relativamente elevado.

Bibliografía

1.- “Apuntes de hidráulica aplicada”. Profesor Rubén León Echaiz, Escuela de ingeniería, Universidad de Chile.

2.- “Geología básica en ciencia e ingeniería”. E.C. Dapples. Ediciones Omega S.A.; 1963.

3.- “Tratado de laboreo de minas”. Tomo II. C.H. Fritzsche. Editorial Labor S.A.; 1965.

4. - “Surface mining”. A.I.M.E. 1968. The maple press company.

5.- “Explotación de minas”. V.Vidal. Tomo II. Ediciones Omega S.A.; 1966

6. - “Mining engineer’s hand book”. Peele. Third edition.

7.- “Bombas”. Julio Hirschmann R. editorial Universitaria S.A.; 1958.

8. - “Compressed air and gas data”. Ingersoll- Rand. 1971.

9.- “Enciclopedia salvat de la ciencia y tecnología”. Tomo III. Primera edición. Salvat – Editores; 1964.

10.- “Inyección de suelos”. Henry Cambefort. Ediciones Omega. 1968.