I. INTRODUCCIÓN
En el Departamento de Boyacá, el número de muertes por explosiones de metano en minas de carbón constituye el mayor riesgo minero, y las víctimas pueden estar alrededor de 10 muertos por año. Dicha cifra es alarmante ya que las cifras no disminuyen con el tiempo, a pesar de que el reglamento de seguridad en labores subterráneas establece que los porcentajes máximos permisibles de metano en los frentes de explotación de carbón son de1% (Decreto
1886 de 1915 del Ministerio de Minas y Energía) [1]. Además de la presencia del metano en porcentajes mayor al 1%, también se requiere un agente de ignición; porque las explosiones pueden iniciarse por distintas fuentes como lo son, las llamas abiertas, cortos circuitos, circuitos eléctricos no sellados intrínsecamente, descargas eléctricas y electricidad estática.
Algunos investigadores han reconocido el problema y han investigado al respecto. Mariño et al. [2] encontraron que, aunque las compañías mineras hacen un seguimiento continuo de los contenidos de gases con ayuda de multidetectores, desconocen los contenidos reales del gas en el carbón in situ; por lo tanto, el planeamiento minero y demás medidas de prevención se estarían haciendo sobre valores relativos de contenido de gas.
La UPME [3] indica que las cifras por accidentes son altas y que el drenaje o utilización previa del gas metano en las minas de carbón ayudaría a disminuir los accidentes. El grupo de investigación en minería de la Universidad Nacional - sede Medellín realizo mediciones de concentraciones de metano durante el arranque en minas a lo largo de la cuenca del Sinifaná, a partir de las cuales se realizaron perfiles y correlaciones para determinar los factores más influyentes para las acumulaciones de gas y por ende explosiones [4]. Finalmente, Mariño y Bedoya determinaron los contenidos de gas en las minas de carbón a diferentes profundidades a partir de los ensayos de desorción cánisters de muestras obtenidas en perforaciones [5].
Aunque se tiene una idea de los contenidos de gas a partir de perforaciones utilizando ensayos de desorción, y aunque se conocen algunas generalidades sobre los riesgos de explosión en la minería del carbón, no se tiene un análisis sistemáticos de las mediciones con metanometros en la atmósfera de los frentes de las minas que establezca cuales son las zonas con más riesgo; por lo tanto, el propósito de esta investigación es zonificar el departamento de Boyacá, mediante un polígono, donde se presenten las áreas y zonas mineras con mayor riesgo a partir de las concentraciones de metano en los frentes, y así generar un planteamiento nuevo para el análisis del problema y para enfocar y mejorar la efectividad de las visitas de fiscalización (Figura 1).
Los objetivos son: organizar y tabular los datos que se tienen para el análisis, Filtrar los datos más representativos, procesar lo datos y, mediante interpolación, presentar las zonas más representativas en cuanto a riesgo por explosión; y finalmente, delimitar las zonas vulnerables por explosión de gas metano.
Las limitaciones de este estudio están dadas por la información disponible sobre contenido de metano en los frentes de las minas, ya que la información disponible está limitada a la reportada durante las visitas de fiscalización.
Figura 1: Ubicación de dos áreas carboníferas estudiadas en Boyacá, y del polígono de la zona de estudio.
II. MARCO TEÓRICO SOBRE EL GAS EN EL CARBÓN
El gas asociado al carbón (CBM) está compuesto aproximadamente en un 80% o más de metano; el resto, por lo general, suele ser dióxido de carbono , nitrógeno y etano. El gas asociado al carbón también conocido como gas de los mantos de carbón, CBM o CBG por sus siglas en inglés (GMAC, CBG o GAC en español), esuna fuente de gas no convencional, que se obtiene a partir de la extracción del metano contenido en las capas de carbón. El CBM se genera en el carbón durante el proceso de carbonización de la materia orgánica por incrementos de presión y temperatura producto de los procesos geológicos. También incluye el gas que se origina en el carbón por procesos bioquímicos, debido a la intervención de bacterias [2].
Las altas presiones debajo de la superficie conservan el gas metano en la matriz del carbón en un estado de adsorción y absorción. Estas altas presiones son creadas tanto por la profundidad, como por el agua que está contenida en la matriz del carbón. Para liberar el metano, los pozos productores de los mantos de carbón o los túneles mineros permiten que el agua sea bombeada para bajar la presión, lo que ayuda a desorber el gas del carbón. El metano migra dentro y fuera de los mantos de carbón hasta encontrar una barrera que lo atrape; de lo contrario, continúa migrando hasta alcanzar la superficie terrestre y finalmente se incorpora a la atmósfera como gas de efecto invernadero (GEI).
Los mantos de carbón más profundos son extraídos a través de túneles y labores subterráneas, mejor conocidas como "minería subterránea" como la que se trabaja en el Altiplano Cundiboyacense, Norte de Santander y Antioquia. Por la profundidad a la que se realizan las actividades mineras subterráneas, estas tienden a emitir más metano que las minas a cielo abierto. Además de la profundidad, el contenido de gas en el carbón se determina por 4 variables adicionales: 1) rango del carbón (grado de maduración termal), 2) tipo de carbón (composición maceral), 3) Contenido de materia mineral, y 4) espesor de la cobertera e historia del enterramiento y subsidencia.
El contenido del gas en el carbón se puede determinar a partir de métodos indirectos y directos. Los métodos indirectos no miden el gas en la capa de carbón, sino que se infiere a partir de alguna variable como la calidad del carbón, la profundidad, la reflectancia de la vitrinita o las isotermas de adsorción. Dichos métodos suponen la presencia del gas, pero no lo demuestran directamente. Los métodos directos se dividen en dos grandes grupos: 1) la medición relativa del contenido en la atmósfera de la mina utilizando metanometros que miden el porcentaje de metano en la ventilación de la mina, tal como se midieron los resultados de la presente investigación, y 2) medición absoluta del contenido de metano en los mantos de carbón sobre corazones de perforación que se introducen en contenedores herméticos llamados cánister, el contenido del gas se mide por desplazamiento de una columna de agua y se conocen como ensayos de desorción. En este caso los contenidos se reportan en m3/ton o pies3 de gas por tonelada de carbón [2].
Como el gas metano es explosivo, se deben medir y conocer muy bien los contenidos de metano en cada macizo rocoso a fin de diseñar el planeamiento minero sobre esos valores y evitar accidentes; por ejemplo en Boyacá, a partir de ensayos de desorción se determinó que entre 0 y 200 m de profundidad el contenido de gas estaría entre 10 y 50 pies /ton, y que entre 200 y 400 m de profundidad el contenido de gas estaría entre 50 y 130 pies /ton que equivalen a 1,41 y 3,68 m /ton [5].
La búsqueda de la información y el análisis se hizo en 2 de las 10 áreas carboníferas existentes en Boyacá: área carbonífera Tunja-Paipa-Duitama (802), y área carbonífera Sogamoso - Jericó (803) [6]. Acontinuación, se presentan los aspectos más relevantes por área carbonífera.
Área carbonífera Tunja-Paipa-Duitama (802).
La estructura principal del área es el Sinclinal Tunja-Paipa, con dirección suroeste-noreste. Asociados a esta estructura, se desarrollan pliegues anticlinales y sinclinales con dirección similar. En el área 802 la formación Guaduas se ha dividido en tres miembros que de base a techo se conocen como miembros Inferior (110 m), Medio (210 m) y Superior (210 m). El miembro medio contiene los carbones y está comprendido desde el manto pequeño hasta un banco de arenisca de grano medio, con un espesor de 30 m, que aflora en la mayor parte del área y que sirve como nivel guía. Esta unidad está compuesta por arcillolitas grises, intercaladas con areniscas de grano fino y hasta nueve mantos de carbón[7] [8].
Los contenidos de gas encontrados en las perforaciones adelantadas en Chivatá, Tunja, Cucaita, Soracá y Paipa son muy bajos y fluctúan entre 0 y 65 pie /ton a profundidades entre 35 y 350 m; los pozos con mayores contenidos se encontraron en Chivatá y Cucaita con 33 y 65 pie /ton, respectivamente, en las mejores muestras [9]. Los bajos contenidos de gas se pueden explicar a partir de la cercanía de los carbones a la superficie y a partir del intenso fracturamiento en la zona, producto de la prolongación de la Falla de Boyacá, lo que igualmente ha impedido el desarrollo de una industria extractiva de carbón en las cercanías a Tunja [10] [8].
Área carbonífera Sogamoso - Jericó (803).
El área se extiende sobre la parte centro -nororiental del Departamento de Boyacá, entre Cuítiva en el sur y Jericó en el norte (Figura 1). El espesor de la Formación Guaduas disminuye de 480 m en Sogamoso a 350 m en Socotá. En el área la formación ha sido dividida en dos conjuntos: Superior, constituido por una serie continua de intercalaciones de limonitas, lutitas grises, arenitas de cuarzo y entre seis y ocho mantos de carbón explotables, con un espesor de 300 m; en el Inferior no se encuentran mantos de carbón de suficiente espesor para desarrollar minería y consta de lodolitas y arcillolitas grises oscuras a negras prevalecientes sobre intercalaciones de arenitas [8].
Los valores encontrados en los frentes de minas de carbón del Municipio de Sogamoso son bajos (0-2 pie /ton) debido a que se muestreó en frentes de minas relativamente superficiales. Los mayores contenidos de gas en Sogamoso se encontraron en los Bloques Chiguatá y Morcá con valores que están entre 1,9 y 1,6 pie /ton y esto se explica porque estos bloques hacen parte de un sinclinal y están menos fallados [11] [12] [8].
En una perforación hacia el sur de Sogamoso, que alcanzó los 150 m, se encontraron valores entre 1 y 6 pie /ton, lo que se considera bajo para dichas profundidades y se explica por el intenso fallamiento, ya que se encontraron repeticiones en los mantos; pero también por errores de procedimiento. En general, los valores de gas encontrados en Sogamoso están entre 0,2 y 6 pie /ton, y son bajos si se comparan con carbones del mismo rango (bituminosos alto volátiles) y profundidades de alrededor de 50 m o más, medidos en Cesar-Ranchería en el Caribe Colombiano y en otras partes del mundo, donde se obtuvieron valores cercanos a 100 pie /ton [13][14][8].
En Corrales, los contenidos de gas están entre 5 y 69 pie /ton, a profundidades entre 250 y 350 m con el gas desorbido representando más del 90%. Estos valores también se consideran bajos para las profundidades alcanzadas. Para el Municipio de Tasco, los valores encontrados están entre 50 -100 pie /ton a profundidades que alcanzaron los 600 m, lo que muestra un incremento significativo con respecto a los bloques ubicados en Sogamoso. En estas muestras no se midió gas residual y los valores de gas perdido están muy bajos, por lo que los valores reales podrían objetivamente estar cerca a los 150 pies /ton. En Tasco-Paz de Rio se encontraron valores totales entre 0-165 pies /ton; los valores de gas residual se consideran bajos y en general los valores de todas las muestras deberían estar por encima de 100 pies /ton porque el rango de los carbones es bituminoso medio volátiles. En Socha se encontraron valores de contenido gas que están entre 0-275 pie /ton a profundidades entre 100 y 300 m. En Socotá se encontraron valores de gas que están entre 2-50 pie /ton a profundidades entre 400 y 600 m. Los contenidos de gas superiores a 200 pie /ton se consideran aceptables para las condiciones de la zona debido a la profundidad y al incremento del rango hacia el norte en que el rango de los mantos más inferiores es bituminoso medio volátil [8].
En general, Los contenidos de gas en el área de Sogamoso-Socotá evidencian un aumento de sur a norte, lo que concuerda con el aumento del rango del carbón hacia el norte, donde se encuentran carbones de rango medio a bajo volátiles, que son coquizables. Generalmente, el aumento del rango del carbón se relaciona directamente con el incremento en el contenido de gas. En esta área, el rango del carbón y la reflectancia de la vitrinita se relacionan así: en la zona de Sogamoso, el rango del carbón es bituminosos alto volátil con valores de reflectancia de la vitrinita de 0,45-0,65%, mientras que, en la parte norte, cerca a Socotá, el rango del carbón es bituminoso medio volátil, con valores de reflectancia de la vitrinita de 1-1,2%, y con propiedades coquizables [6]. Estos valores de vitrinita están sobre los valores mínimos (0,6-0,8%), a partir de los cuales se pueden generar grandes volúmenes de gas termogénico [15]. El aumento del rango de los carbones hacia el norte coincide no solamente con el aumento en el contenido de gas, sino también con la mayor subsidencia de la cuenca hacia el norte donde se encuentra el depocentro de la Cuenca del Cocuy [16][8].
III. METODOLOGÍA
De la base de datos de la Agencia Nacional de Minería se revisaron los contenidos de gas metano en porcentaje reportados durante las visitas de fiscalización desde al año 2017 hasta la fecha [17]. De acuerdo con la información disponible se decidió analizar la información de dos áreas carboníferas: 802 - Tunja - Paipa - Duitama, y 803 - Sogamoso - Jericó. En total se analizaron y graficaron las mediciones adelantadas en 107 títulos mineros. Aunque en Boyacá se ha determinado 10 áreas carboníferas, solo se analizaron dos por la disponibilidad de datos y por la actividad minera [6]. Es evidente que la información existente podría mejorar y que la información deberá ser actualizada a medida que se generan las visitas.
Dicha información se organizó y tabulo en Excel. Posteriormente, se filtró la información para utilizar los datos de mayor utilidad. Los contenidos de gas con sus respectivas coordenadas se graficaron en el sistema de información geográfica (SIG). Se procesaron los datos mediante interpolación para resaltar las zonas más representativas en cuanto a riesgo de explosión. El software permite cargar cada punto correspondiente al título minero con su determinada información, y así implementar cada procesamiento y uso de las herramientas que este ofrece sobre cada punto de manera individual y llegar a obtener un resultado que, en conjunto, presente patrones sobre los cuales se pueda llegar a dar una concreta y fundamentada interpretación.
Se empleó el método Inverse Distance Weighted (IDW) con el fin de interpolar los valores más altos y más bajos, y así dar énfasis en los puntos más cercanos, como resultado, los datos cercanos tendrán mayor influencia, y la superficie tendrá más detalles, a medida que aumenta la potencia, y los valores interpolados comienzan a acercarse al valor del punto de muestra más cercano. Al especificar un valor mas bajo de potencia, los puntos circundantes adquirirán más influencia que los que están más lejos, lo que resulta en una superficie más suave. Finalmente se delimitaron las zonas más vulnerables por riesgo de explosión de gas metano.
Posterior a esto se genera una reclasificación sobre los rangos dados, donde se le da 1 y 2 para los rangos de 0 a 5%, 3 y 4 para los rangos de 5 a 10.4%, y 5 para los rangos mayores a 10%; esto con el fin de dejar clases e intervalos definidos, y así lograr agrupar la mayor cantidad de datos en 5 tipos diferentes. En este caso los valores que se encuentran dentro del grupo 1 son de muy bajo riesgo, los del grupo 2 son de bajo riesgo, los del grupo 3 de medianoriesgo, grupo 4 de alto riesgo y los de grupo 5 de muy alto riesgo.
Después de tener los datos reclasificados, se empleó la herramienta de dissolve con el fin de simplificar los datos a partir de los que ya se tenían, esto para generar una nueva cobertura mediante la fusión de polígonos adyacentes con el mismo valor para un elemento especificado, y así obtener un solo polígono dependiendo el rango; ya con esto se puede modificar el símbolo de los puntos de gas metano en cada título y asignarles un tamaño que incremente o disminuya proporcional al porcentaje presentado, esto para poder evidenciar las zonas con mayor amenaza y hacer un close up sobre cada una y llegar a interpretarla de la mejor manera.
IV. RESULTADOS
Las dos áreas mencionadas en el marco teórico se analizaron conjuntamente y se reportaron en un gran polígono que comprende a las áreas 802 y 803 (Figura 2).
En cada caso se introdujeron los datos de porcentaje de contenido de gas metano reportados durante las visitas. Se establecieron intervalos de porcentaje de 0 a 5 de 5 a 20 y mayores de 20 basados en las tres fases del gas metano; deflagrante, explosivo y asfixiante respectivamente, donde las zonas más altas presentaran tonalidades rojizas y anaranjadas para mostrar las zonas de mayor riesgo, tonalidad de amarillo para las zonas de mediano riesgo, y tonalidades verdosas para las zonas de bajo riesgo, y así poder determinar sobre qué zonas se implementarán medidas de mayor importancia a fin de prevenir accidentes, dependiendo el nivel de riesgo (Figura 3).
Finalmente, los datos de contenido de gas se agruparon no por contenido de gas sino por el grado de riesgo dependiendo del contenido; donde grupo 1 son de muy bajo riesgo, los del grupo 2 son de bajo riesgo, los del grupo 3 de mediano riesgo, grupo 4 de alto riesgo y los de grupo 5 de muy alto riesgo. Como se fusionaron los de polígonos adyacentes con el mismo valor para poder evidenciar las zonas con mayor amenaza y facilitar la interpretación, se presentan las tres áreas carboníferas conjuntamente (Figura 4).
Después de tener los datos reclasificados se usó la herramienta de dissolve con el fin de simplificar los datos a partir de los que ya se tenían, esto para generar una nueva cobertura mediante la fusión de polígonos adyacentes con el mismo valor para un elemento especificado, y así obtener un solo polígono dependiendo el rango, ya teniendo esto se pueden modificar símbolo de los puntos de gas metano en cada título y asignarles un tamaño que incremente o disminuya proporcional al porcentaje presentado, esto para poder evidenciar las zonas con mayor amenaza y hacer un close up sobre cada una y llegar a interpretarla de la mejor manera. Como resultado se obtuvieron 3 zonas de amenaza (Figura 5)
V. ANÁLISIS
Con el mapa de dilusión que permite resaltar mejor las zonas con mayor potencial o probabilidad que ocurra un accidente, se superpusieron dichas zonas con las áreas carboníferas mencionadas en el marco teórico (Figura 1).
Finalmente resultaron tres zonas las cuales se clasifican en orden dependiendo el riesgo, donde la zona 1 es la de mayor riesgo y la zona 3 la de menor riesgo.
Zona de Amenaza 1. Para la zona 1 o zona de mayor riesgo, los mayores porcentajes de metano están entren 20.9, 20.8, 20.4, 18, 16, 12, 2.5, y 2.2%; que corresponden con la parte central del área carbonífera 804 - Sogamoso-Jericó; específicamente, coincide con las explotaciones carboníferas de los municipios de tasco, Socha y Socotá (Figura 5). Los estudios de gas asociado al carbón en los que se mide el contenido de gas sobre corazones de perforación, y utilizando sistemas de desorción cánisters, han concluido que la zona de Socha-Socotá presenta altos contenidos de gas de hasta 250 pies /ton a profundidades cercanas a 400 m de profundidad [5]. En esta zona son frecuentes los accidentes relacionados con la presencia de metano posiblemente relacionada con el incremento del rango del carbón en Boyacá hacia el norte, al punto que en esta zona los carbones son coquizables.
Zona de amenaza 2. Para la zona 2 o zona de riesgo intermedio, los mayores porcentajes de metano reportados fluctúan entre 20.8 y 3.38%, que corresponden con la parte norte del área carbonífera 804-Sogamoso-Jericó, en los alrededores del municipio de San Mateo en el norte de Boyacá (Figura 5). No se conocen resultados de los ensayos de desorción, pero como el rango del carbón mejora hacia el norte, se esperaría que el contenido del gas mejore proporcionalmente.
Zona de amenaza 3. Para la zona 3 o zona de riesgo menor, el mayor porcentaje de gas metano es del 19.4% y corresponde con el área 803 - Tunja-Paipa-Duitama carbonífera 801 - Sogamoso-Jericó, entre los municipios de Tasco y Socotá, donde se ha reportados porcentajes entre 2 y 20,4% de metano.
El riesgo de la zona 3 se confirma por los relativamente altos contenidos de metano (pies /ton) encontrados en (Figura 5). Los estudios de desorción realizados en la zona por el SGC, UPTC y la ANH muestran que los contenidos son bajos. Lo anterior podría estar relacionado con el fracturamiento de la zona y el alto buzamiento de los carbones lo que facilitaría el escape del gas [9][18].
A pesar de la frecuencia de los accidentes mineros relacionados con la presencia del gas metano, los estudios de desorción indican que los contenidos de gas en Boyacá no son altos porque no sobrepasan los 350 pies /ton (10 m /ton) establecido por Naciones Unidas [19]; y que por lo tanto, no habría necesidad de drenas los macizos carboníferos antes de la explotación minera; por lo tanto, los altos porcentajes de metano reportados y la frecuencia de los accidentes se relacionarían más con deficiencias en el diseño de la ventilación, condiciones mecánicas y circuitos eléctricos.
Se sugiere que a ANNA, la plataforma digital que utiliza la Agencia Nacional de Minería (ANM) y que integra la información minero ambiental, se le podría agregar una sección donde se pueda actualizar la información en cada visita y con el visor geográfico tener la posibilidad de percibir estos patrones de riesgo, los cuales podrían servir de soporte al momento de crear las rutas de fiscalización.
VI. CONCLUSIONES
El propósito principal de la investigación es zonificar el departamento de Boyacá por riesgo de explosión de gas metano en la minería del carbón a partir de las mediciones en los frentes mineros con multidetectores durante las visitas de seguimiento y fiscalización.
Se confirmó la hipótesis de que el riesgo de accidente por presencia de gas metano es proporcional a los contenidos de gas reportados durante las visitas de fiscalización.
La zona de mayor riesgo de explosión por presencia de metano corresponde a la zona 3 o parte central de la zona 3.
los estudios de desorción, y por los frecuentes accidentes reportados en lazona.
Se concluye que los mayores porcentajes de metano encontrados entre tasco y Socotá indican que el seguimiento por parte del estado y las nuevas rutas de fiscalización deberán dar prioridad a la parte central del área carbonífera 801.
Después de obtener los resultados se evidencia que el alto porcentaje de gas metano de algunos títulos puede presentar una influencia indirecta en los títulos circundantes, generando un efecto domino negativo; cabe aclarar que para estos estudios se necesitan de otro tipo de datos y un mayor número de muestras, ya sea para evidenciar la afectación a nivel del subsuelo y para ver cómo se podría ver a yacimiento.
Como resultado de este proyecto se determinó que la información deberá ser ampliada y actualizada a medida que se generan las visitas, y así se podrá actuar con anticipación a los hechos. Igualmente, que la fiscalización debe dar prioridad a las zonas con mayor riesgo.
Se concluyó también que en la herramienta ANNA minería, se podría agregar una sección donde se pueda actualizar la información en cada visita y con el visor geográfico tener la posibilidad de percibir estos patrones de riesgo, los cuales podrían servir de soporte al momento de crear las rutas de fiscalización.
Por último, se llega a la conclusión de que si estas medidas llegan a implementarse, se podrían estar evitando y mitigando los accidentes producto de explosiones por gas metano en el departamento de Boyacá; por lo tanto, reduciendo el número de fallecidos y las pérdidas económicas.
