Investigaciones recientes de NIOSH sobre el polvo de roca
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por Marcia L. Harris
Las explosiones implican un peligro grave para los trabajadores de las minas subterráneas de carbón bituminoso debido a la cantidad de polvo de carbón explosivo que se crea durante el proceso de explotación. La industria minera ha sabido por mucho tiempo que agregar polvo de roca (por lo general caliza pulverizada) puede reducir el potencial de que sucedan estas explosiones. Por esta razón, los Estados Unidos exigen el uso de polvo de roca, al igual que otros países productores de carbón, como Australia, Canadá, el Reino Unido, la República Checa, Eslovaquia, Alemania, Sudáfrica y Japón. El objetivo de investigaciones recientes del Programa de Minería de NIOSH es mejorar la capacidad del polvo de roca para prevenir la dispersión de las explosiones de polvo de carbón.
Información básica sobre la propagación de explosiones de polvo
El triángulo del fuego representa una forma familiar de entender cuáles son los elementos básicos que se necesitan para que se produzca el fuego. El fuego requiere de una fuente de ignición, combustible y oxígeno (figura 1). Estos mismos elementos deben estar presentes para las explosiones de polvo. Pero, para que se produzca una explosión de polvo, también debe haber confinamiento y dispersión de polvo (figura 2).
Figura 1. Triángulo del fuego.
Figura 2. Pentágono de explosiones de polvo.
Cuando los cinco elementos necesarios representados en la figura 2 coexisten, se desata una explosión en la mina. El acceso a la mina subterránea proporciona el confinamiento y la ignición inicial proporciona una onda de presión que dispersa el polvo de carbón combustible.
Las figuras 3-7 muestran los elementos de una explosión a medida que la explosión se dispersa, a partir del polvo de carbón en el suelo del acceso a la mina (figura 3). Puede haber polvo de carbón en cualquiera o todas las superficies de un acceso como, por ejemplo, el techo, los pilares de seguridad, los mechones, la cinta transportadora, etc. Cuando se produce la ignición (figura 4), la onda de presión (onda de explosión) levanta el polvo de las superficies cercanas y este se suspende en el aire (figura 5). La llama de la ignición enciende esta mezcla de aire y polvo combustible resultante. Una vez encendida, la mezcla de aire y carbón estalla y crea una nueva onda de explosión que avanzará a lo largo del acceso, levantando más polvo de carbón en el aire (figura 6) y creando explosiones continuas autoimpulsadas hasta que se agote el polvo de carbón o se elimine otro de los elementos del pentágono (figura 7).
Figura 3. Ilustración de polvo de carbón en el suelo de una mina.
Figura 4. Se produce una ignición en el acceso de una mina de carbón subterránea.
Figura 5. La onda de presión resultante (onda de explosión) de la ignición suspende el polvo de las superficies cercanas.
Figura 6. La llama de la ignición enciende el polvo que está suspendido y crea otra onda de explosión que atrae más polvo.
Figura 7. Se suspende y enciende más polvo. Este proceso se repite hasta que se elimina uno de los elementos del pentágono de las explosiones de polvo (figura 2).
Prevención de explosiones
Se usa polvo de roca en muchos países para inertizar el polvo de carbón y prevenir este tipo de explosión. Las definiciones y los requisitos específicos varían por país. En los Estados Unidos, las Regulaciones Federales (30 CFR 75.2) definen el polvo de roca como:
Caliza, dolomita, yeso, anhidrita, lutita, adobe u otro material inerte pulverizado, preferiblemente de color claro, el 100 % del cual pasará a través de un tamiz de 20 mallas por pulgada linear, y el 70 % o más pasará a través de un tamiz de 200 mallas por pulgada linear; cuyas partículas, al mojarse y volver a secarse, no se adherirán ni formarán una masa aglutinada que no se dispersa en forma de partículas separadas al exponerse a una leve corriente de aire; y no contiene más de un 5 % de materia combustible ni más de un total de 4 % de sílice libre o combinada (SiO2), o, en los casos en que el secretario encuentre que no hay disponible sílice a tales concentraciones, no contenga más de un 5 % de sílice libre o combinada.
Tamaño del polvo de roca
Algunos polvos de roca en los Estados Unidos han cumplido los criterios del 100 % <850 µm (que pasan por una malla 20) y del 70 % <75 µm (que pasan por una malla 200), pero aun así no inertizaron el polvo de carbón. ¿Por qué? Tal como se representa en la figura 8, tienen una área de superficie específica menor (o sea, partículas que son menos finas) y no tienen la capacidad de extinguir la explosión, según las pruebas realizadas en la cámara de explosión 20-L de NIOSH.
Figura 8. Algunas muestras de polvo de roca que cumplían el criterio del 70 % <75µm pero que tenían una área de superficie menor de 2300 cm2/g no tuvieron la capacidad de inertizar.
La figura 8 indica que se requiere que el polvo de roca tenga una área de superficie de al menos 2300 cm2/g para inertizar el polvo de carbón en la cámara de explosión 20-L (línea verde horizontal justo arriba del centro del cuadrado rojo más alto). Sin embargo, luego de hacer más pruebas, para garantizar que el polvo de roca funcione adecuadamente es recomendable que el área de superficie sea de 2600 cm2/g (Harris et al. 2015).
Dispersión del polvo de roca sobre áreas amplias
Para ser eficaz, el polvo de roca debe poder suspenderse por la onda de explosión junto con el polvo de carbón. Sin embargo, el polvo de carbón no absorbe agua, y el polvo de roca la absorbe con facilidad. La figura 9 muestra dos tipos de polvo de roca luego de ser expuestos a agua y dejados secar. Las grietas en la superficie de ambos revelan que se han secado y que no se dispersarán fácilmente en una área amplia.
Figura 9. Dos tipos diferentes de polvo de roca que se expusieron a humedad y se dejaron secar.
Una simple prueba de aglutinación se puede hacer al agregarle agua al polvo de roca, mezclarlo bien y dejarlo secar. Si la mezcla forma una masa aglutinada con grietas (figura 10, imagen de arriba a la derecha), no tendrá la capacidad de inertizar una explosión de polvo de carbón. Sin embargo, el polvo de roca se puede tratar con sustancias químicas para que no se mezcle con el agua, lo cual previene su aglutinamiento (figura 10, imagen de abajo a la derecha), y pueda dispersarse en áreas amplias.
Figura 10. Una simple prueba de aglutinamiento realizada en muestras de polvo de roca tratadas y no tratadas con antiaglutinante.
La definición de polvo de roca establece que el polvo se debe poder dispersar con una corriente leve de aire. Una búsqueda en la literatura reveló que “una corriente leve de aire” era equivalente a la necesaria para apagar una vela. No es una definición clara y puede ser muy subjetiva.
A fin de intentar especificar más esta definición, NIOSH creó una cámara de dispersión de polvo en la que se puede colocar y exponer una bandeja de polvo a una corriente leve de aire que se defina de manera precisa. En este método de prueba, la corriente de aire se basó en los datos de gran escala de explosiones de polvo de carbón y se definió como 4.2 psi durante 0.3 segundos. Esta cámara de dispersión puede someter varias muestras a una pulsación de aire que se puede repetir. En el otro extremo de la cámara, una sonda óptica de polvo mide el obscuramiento al pasar el polvo por un rayo de luz. La cantidad de obscuramiento es comparable a la producida por un polvo de referencia que se usó muchas veces para inertizar el polvo de carbón en pruebas de explosiones a gran escala.
Figura 11. Cámara de dispersión de polvo creada por NIOSH (Perera et al. 2016).
Mediante el uso de la cámara de dispersión de polvo, NIOSH encontró que las muestras de polvo de roca tratadas con sustancias químicas se dispersaron mejor que las no tratadas, incluso tras su exposición al agua.
Investigaciones actuales y futuras
NIOSH ha logrado progresar mucho para garantizar que el polvo de roca tenga el rendimiento esperado. Lo ha hecho al estudiar el tamaño de las partículas y su efecto en la explosividad, y al crear una cámara y un método de prueba para determinar cuán bien se dispersa el polvo de roca. Sin embargo, el polvo de roca con una área de superficie específica de 2600 cm2/g tiene partículas muy finas y, si este polvo de roca sigue siendo dispersable tras su exposición a la humedad, el resultado es que tiende a ser más fluido. Estas dos condiciones contribuyen a la preocupación de que se produzca un polvo más respirable. NIOSH está abordando actualmente esta preocupación al examinar la posibilidad de volver a retener el polvo de roca durante las operaciones normales y crear uno en espuma que se pueda aplicar mojado a las superficies de la mina, pero que recupere su dispersabilidad cuando se seque.
Referencias (en inglés):
Harris ML, Sapko MJ, Zlochower IA, Perera IE, Weiss ES [2015]. Particle Size and Surface Area Effects on Explosibility Using a 20-L ChamberExternal, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 37, pp 33-38, September 2015.
Perera IE, Sapko MJ, Harris ML, Zlochower IA, Weiss ES [2016]. Design and development of a dust dispersion chamber to quantify the dispersibility of rock dustExternal, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 39, pp 7-16, January 2016.
Ver también:
Cashdollar KL, Sapko MJ, Weiss ES, Harris ML, Man C, Harteis SP, Green GM [2010]. Recommendations for a New Rock Dusting Standard to Prevent Coal Dust Explosions in Intake Airways. Pittsburgh, PA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health, DHHS (NIOSH) Publication No. 2010-151, Report of Investigations 9679, 2010 May; : 1-49.