15. Sistemas de Transporte Continuo Subterranea

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Sistemas de

transporte continuo

MI4070- Fundamentos de Tecnología Minera



Contenidos

Ferrocarriles

Correas transportadoras



Contenidos

Descripción del sistema de ferrocarriles

Descripción general de componentes

Carros y sistemas de descarga/descarga

Vias y rieles

Empalmes y cruces

Locomotoras

Diseño sistema de ferrocarriles

Automatización sistema de ferrocarriles



Sistema de transporte por ferrocarriles

Este sistema se emplea para el transporte horizontal (0-2% pendiente ) en minas de alta capacidad productiva,distancias de transporte considerables. A diferencia de camiones tiene un camino fijo Compite con correas Se ha usado como transporte principal e intermedio

Ventajas del sistema: Alta productividad Confiabilidad

Seguridad Bajo costo operacional y de mantención Es posible usar el sistema como transporte de mineral y como suplidor de insumos

Desventajas: Alta inversión inicial Altos costos de instalación Se requieren talleres de mantención especializados Flexibilidad

Tipos de ferrocarriles Eléctrico o Diesel Sistemas automos (sin conductor) (e.g El Teniente, LKAB)

Ejemplos de uso de trenes en faenas subterráneas: Mina El Teniente (Chile) – Esmeralda 400 t- Tte 8 1200 t Mina LKAB (Suecia) Henderson (USA)



Componentes sistemas de ferrocarriles

Locomotora Carros (convoy de carros) Sistema de descarga de carros

Vías Empalmes y cruces Sistemas de control Equipos de apoyo

Locomotora de servicio Locomotora de limpieza Locomotora de limpieza de vías

Taller mantención



Carros

Los carros se componen de la caja, chasis y sistema derodado.

Características a considerar:

Capacidad- dimensiones (18-50 t)

Estabilidad

Sistema de descarga

Radios de curvatura mínimos

Pesos (tara- cargado) Características de las ruedas



Dimensiones de carros

Altura, ancho y longitud de carros

Dada por capacidades de transporte requeridas

Dimensiones determinan radio de curvatura Se ha tendido a mayor capacidad de carros (50 ton)

Capacidad de convoy (320 ton- 1200 ton)

Ruedas

Se fabrican en acero fundido

Distancia entre ejes



Ruedas

La llanta es cónica para evitar elmovimiento lateral del tren

La rueda se debe mover sobre lasllantas

La pestaña debe actuar solo en lascurvas, agujas en vias y peligro dedescarrilamiento.

Eje

Masa

Llanta

Pestaña

Diámetro

rueda:6 a 14

cm.



Sistema de descarga de carros

Sistema rígido




Sistema vaciado lateral

El carro pivotea mediante una rueda o bien accionado pormedio de cilindros hidraulicos

Se ha ocupado en niveles intermedios de transporte

Sistema Granby




Sistema vaciado en el fondo

A B B

Descarga central(2 puertas)

Descargauna puerta

Es apropiado cuando existen restricciones de espacio



Vias

Piso con 1% dependiente para

drenaje Drenaje

Vía Afirmado

Componentes de las vías:

-Base: excavación en el piso en laque se asentara el afirmado y vias.Se conecta con el drenaje.

-Afirmado: capa de grava angular.

-Vias: incluye rieles y durmientes



Afirmado

2/3

Durmiente

Peso

Aguas

•El afirmado se fabrica de grava uniforme para permitir elescurrimiento de aguas

•El continuo viaje de trenes produce quiebre de la grava conel tiempo (mas finos).

•Con esto disminuye la resistencia del material al disminuir eltamaño y la degradación por menor permeabilidad de aguas



Rieles

Cabeza100-130kg/mm2

Alma100-130kg/mm2

Patín o Zapata50-60 kg/mm2

Durmientes: tiene como objetivotrasmitir el peso del ferrocarril a lainfraestructura.

Los rieles tienen como objetivomantener la dirección demovimiento del ferrocarril.

•Tienen radios de curvaturamínimos de 25-30 metros

•

Peso lineal 14/24 kg/m•Largo: 10-12 m

TrochaT



Capacidad del rieles

Pd mkg p

K

dPK mkg p

req

req

3) / (

17,013,0

2

1) / (

La capacidad del riel depende de lavelocidad del ferrocarril, la distanciaentre durmientes (d) y el peso por eje(P)

Se agrega esfuerzo dinámico por lavelocidad del tren

Se compara preq con p de diseño

Si el ferrocarril se tiene se adopta lo siguiente:

Carros menores a 5 Ton, T= 0,6 m

Carros mayores a 5 Ton, T= 1,0 – 1,2 m



Rieles

Clavos rieleros Pernos rieleros

Eclisa

Rieles se unen adurmientes por mediode

•clavos rieleros(durmientes demadera)

•Pernos rieleros(durmientes deconcreto)

Rieles se unen por medio de eclisas, elorificio de este es ovalado para evitar corte

de los pernos por cizallamiento



Peraltes

Se construyen peraltes paracontra-restar las fuerzascentrifugas en curvas

ht

a

W

FC

T

gR

TV h

T h

sen

W

F

gR

V W F

t

t

c

c

2

2

)tan(

)tan()(

)tan(

a

a a

a

R= radio de curvatura

V = velocidad del ferrocarril

Ht= altura peralte

Fc= fuerza centrifuga, W peso del

conjunto



Empalmes y cruces

Empalmede vías

Sapo Cruce de vías

Para el empalmede vías se utilizanagujas

Para el cruce devías se utilizansapos



Locomotoras



Locomotoras

• Las locomotoras van equipadas con dos motores eléctricos, cuya

posición es paralela a los ejes de las ruedas motrices, efectuándose la

transmisión por medio de un sistema de piñones y engranajes.

• Los motores se montan en una suspensión elástica, con lo que se

consigue un trabajo sin vibraciones.

• Para poner en movimiento el convoy, los motores se acoplan en serie,

con lo que se consigue un gran torque de partida.

• Una vez en marcha, cuando se ha vencido la inercia del reposo, los

motores se acoplan en paralelo con lo cual se obtiene una mayor

velocidad.



Tipos de locomotoras

Locomotoras Diesel-Eléctricas Locomotoras EléctricasMenor poder de arrastre/peso

3000-3600 hp

Disponibilidad 85%

Menor costo capital

Vida útil 15-20 años

Tienen mas poder de arrastre /peso

Mayor adhesion

4-6 ejes

25-50 kV, 60 Hz

6000 HP

Mayor costo capital

Mayor vida util (doble)

Mayor disponibilidad (95%)

Menor costo mantención (1/2 a ¼)

No hay almacenaje de Diesel yproblemas de congelamiento.

Operación es limpia y sincontaminación



Circuito de Corriente y Conducciónde la Electricidad

• La circulación de C.C. para accionar los motores de lalocomotora se efectúa por dos conductores. El del polo

positivo corresponde a un cable aéreo y el negativo sonlos rieles que se unen entre ellos por los cables decobre.

• Debe estudiarse la pérdida de voltaje en la transmisiónde corriente.

•No debe permitirse una pérdida de voltaje superior al 5%en la línea.



Toma de Corriente

• La toma de corriente para una locomotora desde el

cable aéreo se realiza por medio de un “colector de

corriente”

o“toma

decorriente”

.• El polo negativo se hace llegar al motor por medio de

las ruedas que lo toma desde los rieles.

• El colector toma la corriente desde el trolley por medio

de : Pluma

Pantógrafo

Bobina desenrrolladora.



Pantógrafo:

Es lo más generalizado

• Es un paralelógramo articulado que ejerce una

presión adecuada sobre el trolley y la parte que va

en contacto con el cable aéreo corresponde a dos

barras paralelas que corren perpendicular a éste.• Se puede subir y bajar desde la cabina del

conductor.

Toma de Corriente



Fuentes de Energía de Corriente Continua

• Para evitar importantes pérdidas de voltaje se lleva

corriente alterna trifásica hasta las estaciones dealimentación y allí se transforman en corriente

continua, con un rectificador estático.

Pueden ser de mercurio o de selenio.



Riesgos del Uso de Trolleys

• La producción de chispas es inevitable.

Inflamación y explosiones de grisú en minas de

carbón.

Incendios

electrocuciones

Corriente vagabundas



Elementos de

Diseño



Diseño de locomotoras

• El diseño de locomotoras esta dado por definir eltonelaje de la locomotora (ton) y la potencia

requerida

• Se deben calcular las fuerzas que actúan

contrarios y a favor de la dirección de movimiento

de la locomotora y carros (llenos y vacíos)



Fuerzas en un tren



1. Resistencia a la rodadura

2. Resistencia a la curvatura

3. Resistencia a la pendiente

4. Resistencia a la aceleración o frenado

Esfuerzos a Vencer



Resistencia Friccional o a la Rodadura (Rr)

La resistencia al movimiento de la locomotora y carros debido alas vías depende de:

Condición de las vías

Tipo de rodamiento y ruedas de carros

Velocidad del tren Uniones entre vías

2

2

29 0, 00241, 3 0, 03 ( / )

_ / ,_

,

_ ,

r

AV R V lb ton

W WN

W peso locomotora eje tons N numero ejes

V velocidad mph

A area frontal pies

locomotora

2

2

29 0, 00051,3 0, 045 ( / )

_ / ,

_

,

_ ,

r

AV R V lb ton

W WN

W peso locomotora eje tons

N numero ejes

V velocidad mph

A area frontal pies

vagones



Rf (kg/ton) Tipo de carro Condicionesde Vía

3,0 - 4,5 Grande (>30 ton) con Excelente

descanso de primera calidad

4,5 - 7,0 15 a 30 ton, buenos descansos Buena

9,0 - 11,0 5 a 10 ton, descanso en Buena a

aceptable

rodamientos

14,0- 16,0 Bajo 5 ton, descansos en bujes Pasable

de Bronce

Resistencia Rodadura (Rr) - carros



Resistencia a Pendiente (Rp)

Corresponde a la componente del peso del convoy, en

la dirección contraria al movimiento, por lo que su valor

será Rp = P sen α en que α es el ángulo de pendiente y

P el peso del convoy.

Si α < 5º entonces sen α ≈ tg α, y como generalmente la

pendiente se expresa como porcentaje, la formula se

puede transformar en:

pendienteG

tonlbG Rp

(%)

) / (20



Resistencia a la curvatura (Rc)

La resistencia a la curvatura es debida a: Patinaje de las ruedas

Fricción entre pestañas y rieles

La diferencia entre el ancho de carros y trocha

225( )

tan _ _ ,

,

_ ,

B K Rc

r

B dis cia ejes carros pies

K trocha pies

r radio curva pies

Las curvas se pueden medir en grados.Una curva de un grado es una en la cualen 100´ es 1/360°de un circulo.

El radio de una curva que tiene 1°es5730´.

5730

_ ( )

0,8 ( / )

GC radio curva pies

Rc GC lb ton

Formula empírica 2

Formula empírica 1



Resistencia a la Aceleración y Frenado (Ra ó Rd)

La fuerza para sobrepasar la inercia: F=ma

g

Pm

pies

slb

s pies

tonlbtonm

)(11,62

) / (2,32

) / 2000)((12

Aceleración lineal de 1 Ton a 1mphs

)(3,9147,111,62

47,1

))(3600(1

)5280)(1(

2

lbmaF

s pies

shr

shr

milla

piesmilla

a

a

Se aumenta un 5-10% para considerar aceleración por rotación (100lb/ton)

) / (

)(_

)(100

smphnaceleracióa

Tontren pesoT

lbaT F a

Fuerza requerida:



Fuerza de arrastre locomotora & Adhesion

La adhesion o coeficiente de fricción es el linkque existe entre las ruedas de la locomotora y lavia.

La fuerza de arrastre que la locomotora ejercedepende del coeficiente de fricción, el quedepende: Del material de ruedas y vias

Condición de las vías: humedo, seco, mojado

Centro de gravedad de la locomotora



Adhesión _ _% 100

_ _ _%

( )100

_ _

_ _

_ _

arrastre G

G

a

T

fuerza arrastre disponibleadhesion

peso total boggies locomotoraadhesion

F P

P peso en boogies

P peso en guías

P peso total locomotora

Condición % adhesión

Rieles secos c/arena 25

Rieles secos s/arena 20

Rieles humedos 15

Rieles mojados 5-10



Adhesión- Curva de desempeño

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 5 10 15 20 25

velocidad (mph)

F u e r z a

d e

a r r a s t r e

( l b )

Curva de fuerza de arrastre efectiva para distintas velocidades

Locomotora de 45 ton



Formulas utiles para diseño

Item Formula

Aceleración (mph/s) Fuerza arrastre (lb) /100 x peso tren (ton)

Tiempo al cual se asume aceleracióncte (s)

Cambio velocidad (mph) /aceleración (mph/s)

Distancia recorrida (pies) 1,467x vel media (mph) x tiempo (s)

Fuerza de empuje convoy (lb) (Fuerza arrastre (lb) /resistencia total (lb/ton))-peso locomotora (ton)

Potencia tren (HP) (Fuerza arrastre x velocidad)/375

Potencia requerida generador (Potencia tren)/eficiencia

Potencia total a la maquina Potencia en el generador + otros

Radio de la caja Numero de dientes en caja/numero dientes enpiñones

Motor (rpm) 336 x veloc. X GP/diámetro de ruedas



• Se requiere saber la capacidad de lalocomotora a frenar.

• Condiciones favorables: toda la energía

cinética es consumida

• Condiciones desfavorables: bajada

• El valor de la adhesión durante el frenado es

un 80% de la adhesión durante acarreo, por

lo que la fuerza de frenado es también un

80% el esfuerzo de arrastre.

Resistencia al Frenado (Rd)



Ejemplo de diseño trenes y costos de transporte

1. Cálculo tamaño locomotora

2. Cálculo número de carros para una

determinada locomotora3. Determinación de costos de transporte



Correas

transportadoras



Contenidos

Sistema de correas transportadoras

Elementos del sistema

Capacidad del sistema

Cálculos de ingeniería

Calculo de costos sistema



Introducción

Las correas son uno de los medios mas baratospara el transporte de materiales dados los preciosde combustibles actuales

Son confiables y de gran capacidad de transporte

Son tecnologías limpias



Transporte por correas

Las correas sirven para el transporte de material a granel Se pueden ocupar en minería subterránea y rajo abierto

Rajo Dentro del pit Sobre el terreno (fuera del pit): se han probado hasta 25 km de largo En plantas de tratamiento

Subterránea A un costado/ sobre galería de transporte principal

Desventajas: Limite es la granulometría del material a transportar Alta inversión Radio de curvatura

Ventajas:

Competitivas a grandes distancias (hasta 50 kms) Pueden trabajar en pendientes (20% y mas)

Pueden alcanzar altas productividades (8700-11000 tph)

La contaminación es menor cuando se tienen sistemas de supresión de polvo en los puntos detransferencia



Usos de correas transportadoras

Subterránea Rajo abierto

En el pit En superficie

Distancias: 24 km-50 km Velocidad: 3.1 – 6.1 m/s Ancho correa: 900-1200 mm

Plantas de procesamiento Velocidades 1.0 – 3.1 m/s

Botaderos



Tipos de correas transportadoras

Correas convencionales

Inclinación derodillos

Angulo de la carga



Correas transportadoras

Los cables soportan laestructura de los rodillos

En términos de costos de

capital son un 20% menoresque correas convencionales

Correas soportadas por cables



Tipos de correas transportadoras

Cable

La correa descansa en los cablessin fin mientras la tension requeridapara el movimiento de la correa se

transmite a los cable. Este tipo decorrea es economico en largossobre los 4-8 kms: los cablesrequieren una polea motriz de grandiametro por lo que no son

economicas en distancias cortas.

MobilesTienen el mismo diseño que las correasconvencionales y sobre cables. Se puedenreposicionar con el uso de equipos de apoyo.Las bases poseen rieles en la base.Generalmente son horizontales y se elevan paratransferencia, se ocupan principalmente en

mineria a rajo abierto



Cleat

Esta compuesto de murallas transversales ylaterales insertas en la correa. Las lateralesson plizadas para adaptarse al cambio deradio cerca de las poleas motrices. Lasmurallas transversales permiten conducircarga verticalmante.

Levantadas por Aire

La correa es soportada por medio de unacapa delgada de aire, que se suple medianteuna bamba que inyecta aire a presión al

sistema, no se usan rodillos. La correaretorna usando rodillos convencionales.

Otros tipos de correas



Otros tipos de correas

Tipo ducto:

Usa una correa especial que se puede amoldar como un circuloo ducto. Se usan 6 rodillos para mantener la forma circular. Estetipo de correas es limpio (polvo), compacto en sección vertical,no requiere recubrir la correa, y tiene menores radios de giroque correas convencionales



Otros tipos de correas transportadoras

Tipo Sandwich: tiene dos correas una sobre otra con lacarga al medio. Se puede ocupar para fuertesinclinaciones

Curvadas: puede ir a traves de obstáculos sin necesidadde puntos de transferencia. Usan un menor radio decurvatura:

Otras : > 500 m

Curvas :



Componentes principales

Correas Poleas motrices



Componentes principales

Rodillos o polines

Alimentador

Transporte

Retorno

Impacto porcarga

Cinta

Distancia polines 0,5 m

Distancia polines < 2 m



Factores en la determinación del tamaño de lacorrea

Para determinar el tamaño a ocupar de la correa se deben tener encuenta los siguientes factores:

Tipo de correa

Densidad del material a transportar

Distancia al borde de la cinta y % carga (generalmente un 90%)

Velocidad de la correa

Tamaño y distribución de colpas

Angulo de sobrecarga

Angulo de rodillos de soporte y largo de rodillos

Inclinación



Factores economicos

Rules of thumb (CEMA, 1995):

El transporte por correas es mas economico que por camiones si ladistancia de transporte excede 1 km

Sobre 1 km el costo de la ton/km puede ser hasta 1/10 del costo por

camiones

Los costos de mantención por año son aproximadamente 5% del costo deoperación y un 2% del costo de adquisición

Las correas se reemplazan en promedio cada 5 años para roca dura yhasta 15 años para material no-abrasivo

Los sistemas de correas pueden alcanzar valores sobre 90% dedisponibilidad

Los costos de la estructura y de la correa son los mas altos del sistema



Capacidad de correas

Q AV

T Q

T A

V

Q= capacidad

A= area transversal de la correaCapacidad(m3/s)

Capacidad (ton/s)

Area



Consideraciones en

el diseño de correas



Calculo de requerimientos de transporte usandocorreas

El sistema de correas es continuo por lo que no se calculan ciclos.

Los cálculos de ingeniería se refieren a determinar, para unrequerimiento de transporte, tipo de mineral y tipo de correa :

Las dimensiones de correas : ancho de correa

Velocidad de transporte

El porcentaje de carga

Calculo de potencia del motor

Costos de capital y de operación asociados para una determinadacapacidad



Geometría de correas



Clasificaciones de materiales fragmentados



Ancho de correa en función del tamaño del mineralpara distintos ángulos de carga



Seleccionar la velocidad de la correa (SME, 1992)



Velocidades máximas

recomendadas paramaterialesfragmentad

os (CEMA,2005)



Capacidad de carga en correas

Disminuye ángulo de carga

Bwe= 0,055BW+0,9 pulgadas



Metodología CEMA (2005)1. Determinar el ángulo de carga (ángulo de reposo – 5°)

2. Determinar la densidad del material

3. Determine la forma de la correa (ángulo polines)

4. Determinar la velocidad recomendada

5. Determinar el tonelaje equivalente (ft3/hr)

Ft3/hr= Q x 2000 x DF/d

DF : factor de diseño 1,25

Q [tph]

d: densidad (lbf/ft3)

1. Convertir la velocidad a Q100Q100=Q(ft/hr3)*(100 fpm)/velocidad de la correa (fpm)

Q=capacidad requerida

7. Determine el ancho de correa a partir del valor de velocidad

8. Si el material es grueso verificar que cumpla con ancho sugeridos



Metodología CEMA



Ejemplo- Diseño correas (metodologia SME, 1992)

Determinar las especificaciones para una correatransportadora, con los siguientes requerimientos:

Material: carbón bituminoso

Capacidad requerida : 352.8 kg/s (1270 Ton/hr) Densidad 800 kg/m3

Angulo de reposo: 38°

Largo correa: 457.2 m

La altura a levantar es de 61 m (13%)



Calcular la sección de la correa

2

3

352.8( / )0,145

800( / ) 2, 79( / )

T A

V

kg s A m

kg m m s



Tabla de requerimientos de ancho de correa

Ancho de correa para angulo de rodillos de 25°



Determinar el ancho de la correa

Ancho de correa para angulo de rodillos de 35°y distintas área



Determinar el peso de correa por unidad de largoincluido la resistencia de rodillos

Peso es 61 kg/m



Calculo de potencia requerida

Se calcula la potencia para:

• Mover la correa vacia (PR1)

• Elevar el material (PR2)

•Mover el material horizontalmente (PR3)

•La potencia requerida es la suma de las tres anteriores

PR1



PR1

1

1

1

0,5

13310

PV PR

PR W



PR2

2 2

2225349( )

PR P H

PR W



Determinar la potencia para transportar material

3

3

3

1 2 3

25

45250( )

0,95

298852( ) 400

T

T

P T PR

PR W PR PR PR

PR

PR W hp



Costos transporte correas

Los costos en sistemas de transporte por correas son:

Costo de instalación Componentes mecánicos, estructura, y construcción Costos de preparación del terreno Equipo electrico (15% costos correas) Costos del techo para la correa cuando existen condiciones extremas : 2575-

2950 US$/m

Costos de operación y mantención

Costo de mano de obra (1 operador cada 800-1500 metros)

Costo energia: obtenido de los Kw-año del motor de la correa del sistema de transferencia(alimentadores (Apron feeder), vibrating grizzlies)

Costo anual EE= HP*horas/dia*dias/año*0.746 Kw/HP*eficiencia*US$/kw-hora

Costo mantención y reparación: 2-4 % del costo de inversion



Costos transporte correas

)(tan

) / (

&

kmciadis

C C

añotonsCapacidad

C C C

totalkmton

mant opcapital

Total

E tim ió d t d i t l ió



Estimación de costos de instalación



Costo de motor y accesorios

Costo Capital = Costo correa instalada + (costo motores + accesorios)+ costo inst. electrica + costos preparacion del terreno + costossistema de protección



Ejercicio en clases

Diseñar una correa de 400 metros delargo con las siguientes características

técnicas:

1. Densidad mineral=1.6 ton/m3

2. Capacidad requerida= 2200 ton/hr



Referencias

CEMA, 2005. Belt Conveyors for BulkMaterials, 6th edition.

15. Sistemas de Transporte Continuo Subterranea

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