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7/26/2019 - Optimizacion Del Sistema de Ventilacion en Una Mina de Gran Altura Raura

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Optimización del sistema de ventilación en una mina de gran

altura, Compañía Minera Raura

N.R. Rueda Director de Ingeniería, MSO Industrial, Medellín, Colombia

S.C. Toro Ingeniera de proyectos mineros, MSO Industrial S.A.S., Medellín, Colombia

R. ZuletaGerente, MSO Industrial S.A.S., Medellín, Colombia

RESUMEN: Compañía minera Raura S.A. está ubicada a 4700 m.s.n.m. entre los Departamentos de Huánuco y

Lima, Perú. En esta mina se extrae Plomo, Plata, Cobre y Zinc, mediante diferentes métodos de explotación comoCorte y Relleno ascendente, Taladros Largos y “Sublevel Open Stoping”. Con 50 años de explotación se handesarrollado cerca de 200 km en tunelería con aproximadamente 200 chimeneas entre niveles y a superficiegenerando un sistema complejo de ventilación. Se ha propuesto un plan de optimización del sistema que incluye:la redistribución por circuitos, desarrollo de chimeneas de hasta 4 m de diámetro por circuito y la redistribución yadquisición de ventiladores capaces de suministrar un caudal total aproximado de 700 m3/s. Este proyecto integrael uso de herramientas avanzadas de simulación computacional con análisis teórico y experimental y se desarrollaen tres etapas: diagnóstico, optimización e implementación. En el diagnóstico se determina el estado actual de laventilación con mediciones en campo de flujo de aire, condiciones ambientales y de operación de los ventiladores.En la optimización se evalúan las diferentes alternativas de redistribución del flujo y de la ubicación de las nuevaschimeneas y ventiladores. En estas dos etapas se utiliza el software Ventsim Visual Avanzado para la simulaciónde los circuitos de ventilación y complementando con ANSYS CFX para la simulación de patrones complejos de

flujo. La etapa de implementación se encuentra en desarrollo y se espera que termine a finales de 2012.

1 Introducción

Raura es una mina polimetálica con 50 años de antigüedad.Durante este tiempo la mina ha desarrollado cerca de 200km de túneles entre vías de acceso, zonas de explotación ychimeneas. Se utilizan diferentes métodos de explotación,los principales son: corte y relleno ascendente, “sublevelopen stoping” y taladros largos. Durante este tiempo lamina ha desarrollado una compleja red de túneles pordonde circula el aire.

Con el fin de mejorar el sistema de ventilación la

empresa desarrolló un proyecto de estudio y optimizacióndel estado actual de la mina que permita el cumplimientode la normatividad peruana vigente y que incluya elincremento de eficiencia energética.

Para desarrollar este proyecto se utilizó un planestructurado de trabajo que MSO Industrial ha aplicadocon éxito en sus proyectos de ventilación. En el método detrabajo propuesto se evalúan los requerimientos de aire deacuerdo a la calidad y cantidad que necesita la mina. Estemétodo inicia la evaluación con el diagnóstico del

problema, continua con las mediciones de calidad ycantidad del aire, una comparación de estas con las leyesvigentes, diseño e implementación del sistema deventilación y finaliza con el seguimiento del sistema, que

para este caso se encuentra en ejecución.

2 Diagnóstico

La fase de diagnóstico comprende diferentes etapas que buscan determinar el estado actual de la mina respecto asus requerimientos de aire y condiciones de operación.

2.1 Análisis de Datos de Entrada

Por datos de entrada se refiere a los datos existentes en lamina respecto a la operación del sistema de ventilación.Estos datos consisten principalmente del inventario deventiladores y equipos diesel, plan de producción, personaltotal en la mina, aforos o mediciones, planos o modelosisométricos (3D) de la mina y cualquier otro dato que searelevante para el estudio. A continuación se detalla cadauna de estas etapas.

2.2 Redistribución de Circuitos de la Mina

Aprovechando la distribución de labores en la mina y laagrupación de los diferentes bloques de producción, elequipo de ventilación propuso cuatro circuitos deventilación. Se quería con esta reorganización optimizar ladistribución de aire para disminuir los problemas deconcentración de gases en algunas zonas y de recirculación

de aire viciado que se presenta cuando existen circuitosconectados entre sí.

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14th United States/North American Mine Ventilation Symposium, 2012 – Calizaya & Nelson

© 2012, University of Utah, Dept. of Mining Engineering



2.3 Análisis de Normas Respecto a Ventilación

Dado que la mina está ubicada en Perú, la norma que seaplica para este estudio es el decreto supremo DS-055-2010. Si algún requerimiento no está especificado en esta

norma se utilizan criterios definidos en normasinternacionales como la norma chilena o colombiana.

2.4 Requerimientos de Calidad de Aire

Por calidad de aire se define la concentración de gasesadmisibles en el aire que circula por la mina. Este conceptoestá muy arraigado principalmente en la minería de carbón.Para este caso se utiliza como referencia los niveles deconcentración permisibles en el decreto colombiano (verTabla 1). En esta Tabla, LTEL representa la concentraciónmáxima permisible para una jornada de 8 horas y STEL esla concentración máxima para una exposición menor a los15 minutos. Ambas concentraciones están expresadas en

partes por millón.

Tabla 1. Concentración admisible de gases en una mina.

Gas FórmulaLTEL(ppm)

STEL(ppm)

Dióxido de Carbono CO2 5000 30000Monóxido de

carbonoCO 25 200

Ácido sulfhídrico H2S 10 15

AnhídridoSulfuroso

SO2 5 10

Óxido Nítrico NO 25 35Dióxido de Nitrógeno

NO2 3 5

En cualquier caso el nivel de oxígeno nunca podrá estar por debajo de una concentración de 19.5%. Se debe ponerespecial atención si hay presencia de anhidrita, ya que sireacciona durante la voladura y no hay una adecuadaventilación puede llegar a ser mortal.

2.5 Requerimientos de Cantidad de Aire

La cantidad de aire requerido se refiere al caudal de airelimpio necesario para satisfacer las demandas globales de

la mina. Los principales factores que afectan la demandade aire son: personal, equipos diesel, humos de voladuras ytemperatura efectiva.

Es importante tener en cuenta que no es suficientegarantía ingresar el aire total que la mina necesita, se debegarantizar que este caudal de aire es limpio y llega a losdiferentes niveles y frentes de trabajo.

Uno de los objetivos del proyecto es zonificar la minaen circuitos de ventilación que permitan optimizar elconsumo de energía así como minimizar los problemasrelacionados con fugas de aire y recirculación.

a) Requerimiento de aire por equipos diesel. Para

equipos diesel la norma peruana especifica 0.05 m3

/s

de aire por cada HP. Se reconoce como límite superior para concentración de CO en el tubo de escape las 500 ppm, lo que obliga a mantener en buen estado losmotores de la mina.Esta mina cuenta con aproximadamente 93 equiposque suman una potencia total de 17,760 HP (13,259kW). Con el fin de optimizar los requerimientos deaire por equipos se utilizan factores de simultaneidadextraídos directamente de las horas de operaciónregistradas por las áreas de producción ymantenimiento de la mina. La Tabla 2 presenta unresumen a modo de referencia de los factores desimultaneidad para diferentes equipos.

Tabla 2. Factor de simultaneidad de equipos en un turno.

Equipo Diesel Factor de Uso

Scoop 57%Jumbo 47%

Dumper 49%

Volquete 65%

Flotante 20%

De acuerdo a estos factores se tiene que la mina cuenta conuna disponibilidad de 9025 HP. Con este dato y con laasignación de equipos suministrada por mina y

planeamiento se tiene una distribución de potencias y deaire por circuitos como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Requerimiento de aire por equipos diesel.

Circuito Potencia total de equipos por circuitos [HP]

Caudal de aire(neto) [m3/s]

I 2056.5 102.8

II 3273.7 163.7

III 3126.0 156.3

IV 569.3 28.5

Total 9025.5 451.3

b) Requerimiento de aire por personal. Por encima de los4000 m.s.n.m. el decreto especifica 0.1 m3/s de aire por persona. El total de mineros por turno asciende a237 y de acuerdo a la distribución de personal se tieneel requerimiento total, por este rubro es de 23.7 m3/s.La Tabla 4 muestra un resumen de estosrequerimientos por circuito.

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Tabla 4. Requerimiento de aire por personal.

Circuito Personal(# personas)

Caudal de aire[m3/s]

I 75 7.5

II 62 6.2

III 82 8.2

IV 18 1.8

Total 237 23.7

c) Requerimiento de aire por humos de voladuras. El

decreto vigente no hace mención sobre la cantidad deaire necesaria para voladuras pero si sobre lavelocidad admisible que debe ser superior a 0.42 m/sen el caso de Anfo e inferior a 4.17 m/s. Comocomplemento para el cálculo se utiliza la normachilena que contiene la siguiente relación empírica:

mín

m

t d

AaQ

3100

(1)

Donde:Q = Caudal de aire (m3/s)A = Cantidad de explosivo detonado

equivalente a dinamita 60% (kg)a =Volumen de gases generado por cada

kilogramo de explosivos = 0.04 m3/kgd = Porcentaje de dilución de los gases en la

atmósfera = 0.008 %t = tiempo de dilución de los gases (min)

El valor a se toma como norma general de la guíametodológica de proyectos de ventilación de 2008. El valord depende del explosivo que se use. Igualmente este valorse toma de la guía de seguridad minera y varía entre unrango de 0.008% y 0.01%.

El consumo diario de explosivos por turno es dealrededor de 763 kg que para un tiempo de evacuación de

30 minutos da un requerimiento total de aire porexplosivos de: 212 m3/s (449,203 CFM).

La Tabla 5 muestra el consumo de explosivos porcircuito y su requerimiento de aire.

Tabla 5. Requerimiento de aire por voladuras.

Circuito Consumo deexplosivos [kg]

Caudal[m3/s]

I 249.4 69.3

II 77.6 21.6

III 373.2 103.7

IV 63.0 17.5

Total 763.2 212.0

d) Requerimiento de aire por temperatura. En la mina nohay problemas de este tipo por lo que no es necesarioconsiderar este requerimiento de aire.

e) Resumen de requerimientos de aire para la mina. En lamina las voladuras se hacen cuando no hay personal,de manera que los requerimientos de aire para la minasegún operación serán como se indica en la Tabla 6.

Tabla 6. Requerimiento total de aire en la mina.

Consumo de aire según escenarios de

operación

m3/s

Escenario 1: Personal y equipos en mina 475

Escenario 2: Humos de voladuras 212

Para tener condiciones ambientales saludables, se debegarantizar un caudal de 475 m3/s en la mina, debido a quees el escenario más crítico y cubriría el escenario devoladuras.

En minas polimetálicas se consideran factores de fugade hasta un 25%. Este factor depende de la calidad de lostrabajos de cierre de frentes abandonados, ramificación de

los circuitos y hermeticidad de los bloqueos. En este casose proyectó un factor de fugas de 10%. Los requerimientostotales de aire por circuitos se resumen en la Tabla 7.

Tabla 7. Requerimiento total de aire en la mina confactores de fuga.

Circuito Caudal[m3/s]

Caudal con factorde fugas [m3/s]

I 110.3 121.3

II 169.9 186.9

III 164.5 181.0

IV 30.3 33.3

Total 475.0 522.5

2.6 Modelación del Sistema

La información de la mina es exportada de los programasde geomodelamiento hacia AutoCad (Figura 1) donde seextraen los túneles como líneas de eje y por último esimportado al software Ventsim (Figura 2) para susimulación donde se le adicionan los parámetros físicos ygeométricos como; formas de túneles, tipo de roca, áreas,resistencias, factor de fricción, factores de choque, etc.

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Este modelo es verificado en campo, con los aforos,

mediciones de caudales y caídas de presión en un recorridocompleto y detallado al interior de la mina.

Figura 1. Planos de referencia de la mina Raura paraconstrucción del modelo de simulación.

Figura 2. Modelo 3D en Ventsim de una zona de la mina,con sus respectivas vetas.

2.7 Aforos

Las mediciones de flujo de aire se realizan usando comoguía la norma: “ASHRAE 111; Practices for measurement,

testing, adjusting and balancing of building heating,

ventilation, Air-conditioning and refrigeration Systems”

usando el método de áreas iguales “Method of equalareas”. Este método se basa principalmente en la

aproximación del área transversal del túnel a un rectángulo para luego ser divido en áreas iguales y en su centro

realizar las mediciones de velocidad que posteriormente se

promediarán según las especificaciones de la norma.Los caudales se miden principalmente en las bocaminas

y chimeneas conectadas a la superficie y se clasifican por

circuitos para verificar el balance general de aire y eldesbalance de aire por circuitos. La deficiencia global de

aire se reflejará en la deficiencia de aire por cada uno de

los circuitos. La Tabla 8 presenta el estado de la

ventilación en los diferentes circuitos.

Tabla 8. Comparativo caudales; aforos, requerimiento total

y desbalances en circuitos.

Circuitos Dirección Caudal

m3/s

Circuito I

Caudal de entrada 31.59

Caudal de salida 37.94

Caudal requerido según cálculos 110

Desbalance 78.41

Circuito II




Desbalance 131.19

Circuito III


Caudal de salida N/A


Desbalance 141.08

Circuito IV




Desbalance 3.4

2.8 Ventiladores

Entre ventiladores primarios y auxiliares, la mina cuenta

con 47 ventiladores que consumen cerca de 2.5 MW de

energía constituyéndose como el principal consumidor deenergía de la mina. Se utilizan principalmente ventiladores

axiales cuyos caudales varían desde los 14.1 m3/s hasta los

70.8 m3/s.

Para la simulación del sistema se construyen curvasteóricas para ventiladores axiales a partir de los datos

recolectados en un inventario. Estas curvas son muy

generalizadas y no muestran el funcionamiento real y punto de operación de cada ventilador. Las curvas teóricas

se usan para dar un rango de operación al ventilador dentro

de la simulación y obtener resultados con valores

aproximados.

2.9 Simulación del Sistema Actual

De acuerdo a la configuración actual de la mina y a los

resultados de las mediciones, se ajustan los modelos de

simulación para poder caracterizar la mina y finalizar sudiagnóstico. El proceso de simulación incluye:

a)

Condiciones de Simulación. Altura de nivel dereferencia en superficie; 4630 m.s.n.m., densidad del

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aire; 0.76 kg/m3, temperatura de bulbo húmedo; 4.8°C, Temperatura de bulbo seco; 8.2 °C, presión

barométrica en la superficie; 61.8 KPa., Método de presión estática para el cálculo de los ventiladores,flujo de aire compresible, rugosidad de pared;correspondiente a voladura muy rugosa.

b) Diagramas de Flujo. La Figura 3 muestra uno de losdiagramas de flujo del circuito principal. Este circuitoagrupa la mayor parte de la producción de la mina ycontiene la rampa principal de la mina, en laactualidad el aire sube y baja por la rampa endiferentes puntos generando recirculaciones enalgunos niveles. Se puede ver en la Figura 3 la grancantidad de chimeneas entre niveles y que soncausantes de los problemas de recirculación queexisten en la mina.

Figura 3. Ejemplo de diagrama de flujo en circuito principal generado en Ventsim.

c)

Resultados Numéricos. El programa Ventsim permitemostrar los resultados en forma de tablas y esquemasde ventilación. Los datos generales de la minaincluyendo la longitud total de las labores, el caudaltotal, la resistencia de la mina, etc. son generalmente

presentados en forma de tablas. La Figura 4 muestraun resumen de los datos del sistema de ventilación dela mina generado por el programa Ventsim.

3 Implementación

En esta etapa se adoptan estrategias fáciles deimplementar, que permitan alcanzar estándares requeridos

por la norma y que tengan un impacto positivo e inmediatoen los sistemas de ventilación. Estas estrategias se dividenen 4 componentes principales: túneles y chimeneas,mangas, ventiladores y equipos a diesel. Se hace estadivisión para discriminar el sistema y facilitar así laimplementación de las mejoras. A continuación se exponenalgunas pautas para el mejoramiento a corto plazo delsistema de ventilación.

Figura 4. Resumen de la red de simulación del software.

3.1 Túneles y Chimeneas

En general, una mina cuenta con dos tipos de labores:galerías o túneles y chimeneas. Estas deben ser biendesarrolladas de acuerdo a un plan, de otro modo,especialmente si estas incluyen curvaturas y cambios de

sección, entonces, hay perdidas de energía por choque que pueden llegar hasta un 15% del consumo energético, lo quequiere decir que hay una posibilidad de incrementar laeficiencia del sistema disminuyendo estas pérdidas. Esteobjetivo puede ser alcanzado evitando la construcción dechimeneas sin previo análisis de recirculación o impacto enel sistema.

En la construcción de estas labores, para reducir pérdidas se deben considerar los siguientes factores:

Áreas: Debido a las restricciones de la normavigente que limita la velocidad máxima del aire enlos túneles hasta 4.17 m/s se hace necesariodefinir un área mínimo para túneles principales de

por lo menos 16 m2

(equivalente a una sección de4 m x 4 m) para garantizar que podrán fluir por lomenos 66 m3/s de aire.

Rugosidades: Las labores deben ser uniformes yrectas. Paredes rugosas representan pérdidas deenergía en el sistema y por ende en losventiladores, restándoles eficiencia y capacidad deflujo.

Labores antiguas y puertas: Estas deben serselladas o aisladas por muros herméticos (murosde concreto). El principal factor de desbalance enel sistema son las fugas ocasionadas por laboresantiguas o labores mal selladas.

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3.2 Ventiladores

Antes de seleccionar e instalar un ventilador, ya sea principal o auxiliar, se deben realizar análisis previosmediante simulación, con el fin de evaluar el cumplimiento

de los requerimientos de presión y caudal en el sistema ygarantizar el rendimiento óptimo de los ventiladores en su

punto de operación.

3.3 Mangas

Fugas: Es necesario implementar estrategias de reporte demangas defectuosas entre los mineros para facilitar un

buen uso de las mismas y reducir fugas. Adicionalmente esimportante explorar nuevas tecnologías de mantenimientode las mangas.

Las fugas se dan no solo por roturas en las mangas sino por malas conexiones entre tramos; es necesarioestandarizar el montaje y la instalación de las mangas, asícomo utilizar tecnologías de acople hermético.

3.4 Equipos a Diesel

Cumplimiento de niveles de emisión: Se debe garantizar elcumplimiento de la norma en cuanto al límite de emisionesen el tubo de escape.

Sistemas y equipos de control: En condiciones críticas se pueden implementar sistemas de tratamiento de los gasesde combustión de los equipos a diesel, consisten

principalmente de catalizadores y filtros.

Estrategias de conducción eficiente: Es necesarioimplementar estrategias que permitan minimizar el tiempode uso de los equipos cuando se encuentran al interior de lamina con el fin de limitar las emisiones que generan.

Las anteriores estrategias se basan principalmente en laexperiencia de los autores en el desarrollo de este tipo de

proyectos.

4

Optimización

La optimización del sistema se centra en distribuir demanera eficiente el aire en la mina y el consumo energéticode los ventiladores. Se debe tener en cuenta que si la minatiene deficiencias de aire, el consumo de energía seincrementará exponencialmente cuando se incremente elcaudal de aire que ingresa a la mina. Para tener una medidareal de la eficiencia de la mina se utiliza la relación entreconsumo y caudal de la mina kW/(m3/s). Para la minaRaura, además de la redistribución de los circuitos yventiladores se plantea la construcción de una nuevachimenea de gran diámetro en el circuito II que es donde seconcentra la explotación y proyección de la mina.

4.1 Selección del Ventilador para el Circuito II

Las principales variables que afectan la selección de este

ventilador son: diámetro de la chimenea y resistencia de lamina. Como no es viable modificar la resistencia de la

mina, la variable que más puede afectar el rendimiento delventilador y el consumo de energía es el diámetro de lachimenea propuesta. En este caso, con la ayuda del

programa Ventsim se realizó un análisis financiero deoptimización para seleccionar el diámetro óptimo de lachimenea, basado en el costo de excavación y el costo deoperación del ventilador. En la figura 5 se observa ungráfico de resultados de la simulación financiera en elVentsim.

Figura 5. Diagrama de costos según diámetro óptimo de lanueva chimenea.

De acuerdo a estas condiciones de análisis, el diámetroóptimo de la chimenea se ubica entre 3.6 m y 4.2 m y elventilador principal para esta nueva chimenea debecumplir con las especificaciones de la Tabla 9 a una alturaaproximada de 4826 m.s.n.m.

Tabla 9. Especificaciones ventilador principal Circuito II

Variable Cantidad

Caudal 187 m3/s

Presión 3048 Pa

Con la instalación de este ventilador se retiraran cerca de17 ventiladores secundarios y auxiliares en el circuito IIdonde se construirá la chimenea. El índice de consumo dela mina se ubicara en cerca de 5 kW/(m3/s).Adicionalmente, se reducirán las fugas de aire y las

recirculaciones indeseadas en el circuito principal, puestoque el ventilador tiene la capacidad de obligar a bajar todoel aire que ingresa por la rampa principal, permitiendollevar este aire a los niveles inferiores de la mina que eshacia donde crecerá en el futuro, según proyecciones de

planeamiento. En la Figura 6 se muestra la chimenea propuesta en color verde, esta chimenea conecta los nivelesmás inferiores con la superficie.

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Figura 6. Esquema de construcción de la nueva chimenea.

4.2 Optimización Energética.

En la Figura 7 se aprecia que las pérdidas en la mina se dan principalmente por fricción en túneles y chimeneas. Esteresultado tiene sentido en la medida que la longitud delcircuito de ventilación es muy grande (alrededor de 90km).

El segundo factor es representado por pérdidas deenergía por choque y las generadas por reguladores. Adiferencia de las pérdidas por fricción, las pérdidas dechoque si pueden ser controladas e inclusive reducidas,

brindando un margen para optimizar la eficiencia delsistema hasta un 19% para este caso particular.

Figura 7. Gráfica resumen de pérdidas en el sistema.

5

Discusión y Conclusiones

Se presento un procedimiento estructurado para elmejoramiento del sistema de ventilación de una mina

basado en 3 conceptos: la mejora de las condicionesactuales, la redistribución del aire en la mina por circuitosy la construcción de una chimenea principal de grandiámetro (4m) con el fin de centralizar la distribución deaire en una troncal principal de ventilación.

A la fecha es común que las minas manejen suventilación mediante ensayo y error. Es posible minimizarlos errores de este costoso proceso iterativo mediante lautilización de herramientas avanzadas de simulación como

el Ventsim que permite simular las diferentes alternativasantes de ser construidas.

Las estrategias de mejoras del sistema de ventilación de lamina Raura se resumen a continuación:

1) En el corto plazo se debe mejorar la hermeticidadde los muros de aislamiento de la mina. Esto serefiere al cierre de labores antiguas o que ya no seexplotan. Otra manera de aumentar el caudal deaire en los frentes es reduciendo las fugas en elsistema de ventilación auxiliar que en la practicaimplica reparar las mangas de ventilación, utilizaracoples y conexiones especiales para unir estasentre si y con el ventilador. Finalmente, identificary cerrar las chimeneas internas y externas que

propician la recirculación. Adicionalmente sedeben disminuir las pérdidas de choque para

incrementar la eficiencia del sistema.2) En el mediano plazo se plantea la redistribución de

la mina por circuitos de ventilación. Se busca conesto garantizar un flujo adecuado de aire para cadacircuito según sus necesidades. Para lograr esto sedeben reubicar los ventiladores siendo necesariomejorar sus instalaciones para minimizar las

pérdidas de choque. Se quiere evitar el uso deventiladores secundarios para minimizar los costosasociados de instalación y mantenimiento así comolas recirculaciones que usualmente generan.

3) En el mediano plazo se plantea también laconstrucción de una chimenea de un diámetro

aproximado de 4 m y 600 m de longitud con la posibilidad de seguir descendiendo hacia losfuturos niveles inferiores de la mina, lográndose deeste modo centralizar la ventilación en una troncal

principal de ventilación y manejar la ventilaciónauxiliar mediante ramificaciones de esta troncal

principal.4) Durante el desarrollo del proyecto se sentaron las

bases para la implementación de un sistema demonitoreo en tiempo real.

6

Agradecimientos

Los autores agradecen al equipo de ingenieros de la minaRaura; Carmelo Condori, Jose Boluarte, Arturo Vargas,Hector Medina, Gustavo García y a los departamentos deservicios, topografía, geología, seguridad y mantenimiento

por su apoyo en el desarrollo del proyecto.

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