Emisión de gases tóxicos en voladuras subterráneas: concentración, propagación y dilución en función del tipo de ventilación mediante la aplicación de métodos analíticos y numéricos y análisis de optimización de los ciclos de avance
- Autores: Noe Merle Hevia
- Directores de la Tesis: Antonio Bernardo Sánchez (dir. tes.), Javier Menéndez Rodríguez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Número de páginas: 160
- Títulos paralelos:
- Toxic gas emission in subway blasting: concentration, propagation and dilution as a function of the type of ventilation through the application of analytical and numerical methods and optimization analysis of advance cycles analytical and numerical methods
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jose Luis Viesca Rodríguez (presid.), Ana María Castañón García (secret.), Lina María López Sánchez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Producción y Computación por la Universidad de León
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: BULERIA
- Resumen
- español
La investigación desarrollada en el marco de la presente Tesis Doctoral supone un avance del conocimiento en relación con los sistemas de ventilación que mejor actúan en la dilución de gases tóxicos en voladuras subterráneas. Los sistemas de ventilación usados en estas labores son básicamente de tres tipos (ventilación soplante, aspirante y mixta).
El método de perforación y voladura es ampliamente utilizado para la excavación de túneles de roca dura. Los gases tóxicos como el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno se liberan inmediatamente después de la explosión por la detonación de los explosivos usados en dichas labores además de una pequeña porción que proviene de la combustión de los motores de combustión usados. Para proporcionar un entorno de trabajo seguro, la concentración de los gases nocivos debe reducirse por debajo de los valores límite umbral de acuerdo con la legislación en materia de seguridad y salud.
En esta tesis, se han realizado modelos matemáticos unidimensionales y simulaciones numéricas CFD tridimensionales para analizar la concentración, propagación y dilución de los humos de voladura en diferentes condiciones de operación. Se han analizado 3 tipos de ventilación (soplante, aspirante y mixta), con caudales de aire fresco de 30 y 40 m3/s para determinar los tiempos de re-entrada seguros después de la voladura en un túnel de 200 m de largo y 68 m2 de sección excavado utilizando el método de avance y destroza mediante perforación y voladura. Se considera una voladura en la fase de avance con 118 kg de explosivos de emulsión explosiva. A partir de la cantidad de explosivos se determina la longitud de túnel afectada por los humos de voladura y la concentración inicial de CO, NO y NO2. Se analizó la variación de la concentración de gases en perfiles transversales cada 25 m de longitud, observándose la reducción de la concentración a medida que los gases se aproximan a la salida del túnel. Según los resultados de las simulaciones efectuadas, el monóxido de carbono es el gas más crítico, ya que requiere de un mayor tiempo de ventilación para reducir su concentración por debajo del valor límite umbral. El tiempo de re-entrada segura alcanza los 480 s bajo el modo de ventilación soplante, reduciéndose a 155 s cuando se utiliza un sistema de ventilación mixta después de la voladura, reduciendo los costes de operación.
La reducción del tiempo de re-entrada representa una mejora significativa en el ciclo de excavación y, por lo tanto, en el ciclo de producción. Además, los resultados obtenidos muestran que los modelos unidimensionales pueden ser utilizados para analizar preliminarmente la dilución de los gases tóxicos. Sin embargo, para determinar de manera fiable los tiempos de reingreso seguros después de las voladuras, se deben desarrollar modelos numéricos tridimensionales. Para validar la precisión de los resultados del modelo CFD, se realizaron mediciones en campo en un túnel ferroviario utilizando sensores de gas. En general, se obtuvieron buenos acuerdos entre las simulaciones numéricas tridimensionales y los valores medidos en el equipo de campo.
Finalmente, se ha empleado el modelo analítico desarrollado para analizar la optimización del ciclo de avance en función de la ventilación. Para ello, se han analizado los tiempos de espera seguros después de las voladuras en un sistema de ventilación soplante con caudales de 30 y 40 m3/s considerando un túnel de 2.000 m de longitud. Los resultados muestran una reducción del 25% del tiempo de espera acumulado en las obras de ejecución del túnel cuando se utiliza un caudal de 40 m3/s en comparación con el caudal de 30 m3/s
- English
The research carried out within the framework of this Thesis represents an advance in knowledge regarding the ventilation systems that work best in the dilution of toxic gases in subway blasting. The ventilation systems used in these works are basically of three types (forced, exhaust and mixed ventilation).
Toxic gases such as carbon monoxide and nitrogen oxides are released immediately after blasting by the detonation of the explosives used in such work in addition to a small portion coming from the combustion of the combustion engines used. To provide a safe working environment, the concentration of harmful gases must be reduced below the threshold limit values in accordance with health and safety regulations.
In this thesis, one-dimensional mathematical models and three-dimensional CFD numerical simulations have been performed to analyze the concentration, propagation and dilution of blasting fumes under different operating conditions. Three types of ventilation (forced, exhaust and mixed), with fresh air flow rates of 30 and 40 m3/s have been analyzed to determine the safe re-entry times after blasting in a tunnel of 200 m long and 68 m2 of section excavated using the top heading and benching method. A blasting in the advance phase with 118 kg of explosive emulsion explosives is considered. From the quantity of explosives, the length of tunnel affected by blasting fumes and the initial concentration of CO, NO and NO2 are determined. The variation of the gas concentration was analyzed in transverse profiles every 25 m of length, observing the reduction of the concentration as the gases approach the tunnel exit.
According to the results of the simulations performed, carbon monoxide is the most critical gas, as it requires a longer ventilation time to reduce its concentration below the threshold limit value. The safe re-entry time reaches 480 seconds under the blowing ventilation mode, reducing to 155 s when a mixed ventilation system is used after blasting, reducing operating costs. The reduction in reentry time represents a significant improvement in the excavation cycle and, therefore, in the production cycle. In addition, the results obtained show that one-dimensional models can be used to preliminarily analyze the dilution of toxic gases. However, to reliably determine safe re-entry times after blasting, three-dimensional numerical models must be developed. To validate the accuracy of the CFD model results, field measurements were performed in a railway tunnel using gas sensors.
In general, good agreements were obtained between the three-dimensional numerical simulations and the values measured on the field equipment.
Finally, the analytical model developed has been used to analyze the optimization of the excavation cycle as a function of ventilation. For this purpose, the safe re-entry times after blasting have been analyzed in a forced ventilation system with flow rates of 30 and 40 m3/s considering a 2,000 m long tunnel. The results show a 25% reduction of the cumulative waiting time in the tunnel execution works when using a flow rate of 40 m3/s compared to the airflow rate of 30 m3/s.
- español
