Emisión de gases tóxicos en voladuras subterráneasconcentración, 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

Abstract

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