Tesis:
An engineering model for the prediction of full-field blast vibrations and rock mass damage
- Autor: GÓMEZ MATEOS, Santiago
- Título: An engineering model for the prediction of full-field blast vibrations and rock mass damage
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
- Departamentos: INGENIERIA GEOLOGICA Y MINERA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80466/
- Director/a 1º: SANCHIDRIÁN BLANCO, José Angel
- Director/a 2º: SEGARRA CATASÚS, Pablo
- Resumen: Esta tesis doctoral profundiza en la predicción de ondas sísmicas y el análisis de vibraciones provocadas por voladuras. El objetivo principal es mejorar la comprensión y la predicción de las vibraciones en el campo cercano mediante el perfeccionamiento de métodos ya existentes y la introducción de nuevos enfoques. Para ello se han realizado medidas de vibración en el campo cercano y de funcionamiento del explosivo en voladuras de producción, lo que le da un gran valor añadido al presente trabajo en el sentido de que no es común registrar vibraciones a distancias muy cercanas a la voladura, y es difícil encontrarlas en la literatura. Además, su registro requiere de muchos recursos y mucho tiempo para llevarlo a cabo.
Inicialmente, se ha revisado y reformulado la solución semi-analítica de campo completo (full-field solution, FFS) de radiación de ondas sísmicas. La metodología se ha simplificado, reduciendo significativamente la complejidad computacional, lo que hace que sea accesible como una herramienta de ingeniería y se pueda implementar en ordenadores portátiles estándar. Se han utilizado medidas experimentales de vibración en una cantera para calibrar el modelo, en particular los factores de calidad Q de la roca para las ondas P y S (uno para cada tipo de onda), en función de la distancia.
Se ha introducido una función de fuente de explosivo en el modelo, obtenida a partir de modelización numérica y de funciones integradas. Además, se ha utilizado el campo de desplazamiento de la FFS para obtener la distribución de tensiones, lo que ha facilitado la identificación de zonas de daño a la roca mediante la aplicación de criterios de rotura basados en la resistencia a la compresión uniaxial (UCS), la resistencia a la tracción (TS) y tensiones principales. Estos resultados se comparan con los modelos clásicos de Holmberg-Persson (H-P), resultando en claras diferencias, particularmente la ausencia de direccionalidad en el primero debido a que no considera la velocidad de detonación del explosivo, entre otros.
Con objeto de mejorar la función fuente del explosivo, se ha desarrollado una metodología para medir presión de detonación en el interior de barrenos utilizando el principio de ‘shock impedance matching’, que también utiliza la FFS para calcular la presión aplicada por el explosivo en la pared del barreno. La utilización del análisis polar de choque mejora la FFS mediante la introducción de la teoría polar de choque oblicua, lo que da como resultado una función de fuente axial/radial combinada. Los datos experimentales de las voladuras de canteras validan la precisión del modelo y muestran las implicaciones del uso de las fuentes axiales y radiales en los patrones de daño.
Esta tesis también presenta un modelo pionero que incorpora los efectos de una superficie libre en la FFS para la predicción de vibraciones en el campo cercano inducidas por una columna de explosivo. Para ello se ha superado el desafío previo que suponía el desacoplamiento de ondas P y S de la solución de campo completo. El modelo utiliza las ecuaciones de Zoeppritz, que describen la partición de ondas sísmicas en una interfaz debido a la conversión de modo de propagación, y el método de las imágenes para incluir el efecto de superficies libres. Los resultados revelan la amplificación de las vibraciones cerca de superficies libres, lo que enfatiza la importancia de considerar los efectos de las mismas en la evaluación del impacto de las voladuras en el macizo rocoso remanente.
Con objeto de poder incorporar en un futuro los efectos de las fracturas en las vibraciones producidas por voladura, se ha desarrollado una técnica de generación de redes de fracturas discretas (DFN) de tipo no paramétrico. Para ello se utilizan estimadores de densidad kernel direccionales-lineales (KDE) para caracterizar al mismo tiempo las orientaciones de fracturas y las longitudes de las trazas. Este enfoque no paramétrico elimina la necesidad de clasificación de fracturas en familias y de asignar distribuciones analíticas tanto a las orientaciones como a longitudes de traza de las mismas. La calibración con los datos de campo demuestra la validez del modelo, que incluye correcciones que tienen en cuenta la censura, el tamaño, la orientación y el truncamiento de trazas.
En conclusión, esta tesis doctoral supone un avance en la predicción de ondas sísmicas y en el análisis de vibraciones producidas por voladura al introducir metodologías accesibles, refinar modelos y abordar desafíos clave. Las técnicas desarrolladas mejoran nuestra comprensión de la dinámica de detonación, las interacciones del choque y la extensión del daño en operaciones de voladura. Los modelos y hallazgos presentados contribuyen al desarrollo de prácticas en voladuras más seguras y eficientes en la industria minera y en obra civil en la que es necesario el arranque de roca con explosivos.
ABSTRACT
This doctoral thesis delves into the prediction of seismic waves and the analysis of vibrations caused by blasting. The main goal is to improve the understanding and prediction of near-field vibrations by refining existing methods and introducing new approaches. To this end, vibrations from blasting in the near-field and explosive performance have been measured in production blasting, which gives great added value to this work in the sense that it is not common to record vibrations at distances very close to the blast, and it is difficult to find them in the literature. Moreover, they are very resource and time consuming to carry out.
Initially, the semi-analytical full-field solution (FFS) of seismic wave radiation has been reviewed and reformulated. The methodology has been simplified, significantly reducing computational complexity, making it accessible as an engineering tool and implementable on standard laptop computers. Experimental vibration measurements in a quarry have been used to calibrate the model, in particular the rock quality factors (Q) for P- and Swaves (one for each wave type), as a function of distance.
An explosive source function has been introduced into the model, obtained from numerical modelling and integrated functions. In addition, the FFS displacement field has been used to obtain the stress distribution, which has facilitated the identification of damage zones to the rock by applying failure criteria based on uniaxial compressive strength (UCS), tensile strength (TS) and principal stresses. These results are compared with the classic Holmberg-Persson (H-P) models, resulting in clear differences, particularly the absence of directionality in the former because it does not consider the detonation speed of the explosive, among others.
In order to improve the source function of the explosive, a methodology has been developed to measure detonation pressure inside boreholes using the principle of shock impedance matching, which also uses the FFS to calculate the pressure applied by the explosive in the hole wall. The use of shock polar analysis improves the FFS by introducing oblique sources, resulting in a combined axial/radial source function. Experimental data from quarry blasting validate the accuracy of the model and show the implications of using axial and radial sources on damage patterns.
This thesis also presents a pioneering model that incorporates the effects of a free surface in the FFS for the prediction of near-field vibrations induced by an explosive column. To achieve this, the previous challenge of decoupling P- and S- waves from the full-field solution has been overcome. The model uses the Zoeppritz equations, which describe the partitioning of seismic wave at an interface, due to mode conversion, and the image method to include the effect of free surfaces. The results reveal the amplification of vibrations near free surfaces, which emphasizes the importance of considering their effects in the evaluation of the impact of blasting on the remaining rock mass.
In order to be able to incorporate the effects of fractures in the vibrations produced by blasting in the future, a non-parametric technique for generating discrete fracture networks (DFN) has been developed. For this, directional-linear kernel density estimators (KDE) are used to simultaneously characterize fracture orientations and trace lengths. This nonparametric approach eliminates the need to classify fractures into families and assign analytical distributions to both fracture orientations and trace lengths. Calibration with field data demonstrates the validity of the model, which includes corrections that account for censoring, size, orientation, and trace truncation.
In conclusion, this doctoral thesis represents an advance in the prediction of seismic waves and in the analysis of vibrations produced by blasting by introducing accessible methodologies, refining models and addressing key challenges. The techniques developed improve our understanding of detonation dynamics, shock interactions, and damage extent in blasting operations. The models and findings presented contribute to the development of safer and more efficient blasting practices in the mining industry and in civil works in which rock removal with explosives is necessary.