Emisión_Gases_Tóxicos_Voladuras_Subterráneas

Ingeniería de Métodos

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TESIS DOCTORAL

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

Programa de doctorado:
INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y COMPUTACIÓN

Noe Merle Hevia
DIRECTORES: Antonio Bernardo Sánchez
Javier Menéndez Rodríguez

León, mayo de 2023

Memoria presentada por Noe Merle Hevia para optar al Grado de
Doctor por la Universidad de León

León, mayo de 2023

El Doctorando,

Fdo.: Noe Merle Hevia

Visto Bueno,
Los Directores,

Fdo.: Dr. Antonio Bernardo
Sánchez

Fdo.: Dr. Javier Menéndez
Rodríguez

Noe Merle Hevia

RESUMEN

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.

Noe Merle Hevia

ABSTRACT

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
waitingtime in the tunnel execution works when using a flow rate of 40 m3/s compared to
the airflow rate of 30 m3/s.

Noe Merle Hevia

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 15
1.1 Marco Normativo ........................................................................................ 16
1.1.1 Marco Internacional ............................................................................ 16
1.1.2 Marco Nacional .................................................................................... 23
1.2 Método de Excavación por Perforación y Voladura ................................... 30
1.3 Estado del Arte ............................................................................................ 41
1.4 Visión Producción VS Economía .................................................................. 87
2. OBJETIVOS Y METODOLOGÍA .............................................................................. 88
2.1 Introducción ................................................................................................ 89
2.2 Planteamiento del Problema ...................................................................... 92
2.3 Concentración Inicial de Gases Tóxicos ...................................................... 96
2.4 Valores Límites Umbral (TLV) ...................................................................... 97
2.5 Modelo Analítico 1D .................................................................................... 98
2.6 Modelización Numérica CFD ..................................................................... 102
2.7 Análisis de Sensibilidad de la Malla........................................................... 106
2.8 Mediciones de Campo y Validación de Modelos ...................................... 108
2.9 Optimización de los Ciclos de Avance ....................................................... 112
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...............................................................................113
3.1 Introducción .............................................................................................. 114
3.2 Concentración de Gases Tóxicos ............................................................... 116
3.3 Resultados Modelo 1D .............................................................................. 117
3.4 Resultados Modelo Numérico................................................................... 120
3.4.1 Resultados Ventilación Soplante ....................................................... 120
3.4.2 Resultados Ventilación Aspirante ...................................................... 126
3.4.3 Resultados Ventilación Mixta ............................................................ 128
3.5 Resultados Optimización de Ciclos de Avance .......................................... 133
4. CONCLUSIONES Y LINEAS DE TRABAJO FUTURAS ............................................136
4.1 Conclusiones ............................................................................................. 137
4.2 Líneas de trabajo futuras .......................................................................... 139
5. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................140

6. ANEXOS .............................................................................................................156
6.1 Publicación en Revistas Científicas ........................................................... 157
6.2 Participación en Congresos ....................................................................... 159

Noe Merle Hevia

Acrónimos y símbolos

A Área de sección transversal del avance superior del túnel (39,27 m2).
Am Área mojada.
ACCI Australian Chamber of Commerce and Industry.
ACTU Consejo Australiano de Sindicatos / Australian Council of Trade Unions.
ANFO Ammonium Nitrate - Fuel Oil.
ASCC Consejo Australiano de Seguridad y Compensación.
ASM Acciones de Seguridad Minera.
AWSS Australian Workplace Safety Standards.
b Volumen de gas producido por kilogramo de explosivo (m3/kg).
C (z, t) Concentración de gas en la posición z y el tiempo t.
CAS Chemical Abstracts Service.
CDC Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EEUUU.
CEL Concentración de la Exposición Laboral ponderada para 8 horas.
CFD Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics).
CIB Boletines de Inteligencia Actualizada.
CO Monóxido de Carbono.
CO2 Dióxido de Carbono.
D Coeficiente de difusión efectivo (m2/s).
DH Diámetro hidráulico (m) del túnel.
DEWR Department of Employment and Workplace Relations / Departamento de
Empleo y Relaciones Laborales.
DHHS Departamento de Salud y Servicios Humanos de Estados Unidos.
DOT Department of Transport de Estados Unidos.
DPM Diesel Particular Matter.
E Coeficiente de Difusión Efectivo.
f Factor de fricción.
FDS Fire Dynamics Simulator.
FPL Fire Pressure Loss Pérdida de Presión del Fuego.
G Cantidad de explosivos en kg.
H2O Agua.
I Índice de Exposión de la Sustancia.
IDLH Immediately Dangerous to Life and Health.
ITC Instrucciones Técnicas Complementarias.
LCSS Long-Compression Short-Suction.
Le Longitud de interacción efectiva del flujo de aire.
Le1 Distancia desde el conducto de aire hasta el frente de trabajo del túnel.
Lo Longitud de Lanzamiento de los gases tóxicos.
LMC Labour Minister Council / Consejo de Ministros.
LVS Longitudinal Ventilation System.
MAIR Masa molar de aire (28,96 g/mol).
MGAS Masa molar de gas (g/mol).
MSHA Administración de Seguridad y Salud Minera.
NIOSH Instituto Nacional para la Salud y Seguridad Ocupacional de Estados Unidos.
NOHSC Comisión Nacional de Salud Laboral y Seguridad de Australia.
NIST National Institute of Standards and Technology.
N2 Nitrógeno.
OB Overlap Branches.
OSHA Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos.

PISO Presión implícita con división de operadores.
Pm Longitud de contacto del gas con la pared del túnel.
PEL Permissible Exposure Limits.
PM Particular Matter.
ppm Partes de vapor o gas por millón
PPV Particular Presure and Velocity.
RA Run Around.
RANS Reynolds averaged Navier Stokes/Navier-Stokes promediadas por Reynolds.
RD Real Decreto.
REL Recommended Exposure Limits.
RGNBSM Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera.
RTECS Register of Toxic Effects of Chemical Substances.
R2 Coeficiente de Redeterminación.
SAS Modelo de Turbulencia con Escalas Adaptativas.
SB Symmetrical Branches.
STEL/ST Short Term Exposure Limit/Short Term.
t Tiempo desde la liberación del contaminante (s).
TLA Threshold Limit Value.
TWA Time Weighted Average.
ū Velocidad de flujo uniforme (m/s).
V Volumen de gas en el estado original (z =0, t = 0).
VLA-EC Valor límite ambiental para exposiciones de corta duración.
VLA-ED Valor límite ambiental para la exposición diaria.
WRMC Consejo de Ministros de Relaciones Laborales / Workplace Relations
Ministers Council.
z Distancia de la fuente contaminante (m).
ε Rugosidad de la pared (m).
Δx Tamaño de malla típico.

Noe Merle Hevia

Índice de Tablas
Tabla 1-1. Normas de exposición profesional al NO2 en Rusia (Fuente: [12]). ...................... 23
Tabla 1-2. Normas de exposición profesional al NO2 en Australia (Fuente: [12]). ................ 23
Tabla 1-3. Límites de exposición para CO, NO y NO2 en la normativa ASM-2 española
(Fuente Orden TEC/1146/2018). ............................................................................................ 27
Tabla 1-4. Mediciones a realizar en función del Índice de Exposición (I) obtenido(Fuente
Orden TEC/1146/2018). ......................................................................................................... 28
Tabla 1-5. Límites de exposición al CO según las normas internacionales y nacionales de
salud y seguridad. .................................................................................................................. 29
Tabla 1-6. Características de los explosivos de voladura (Fuente: [26]). ............................... 34
Tabla 2-1. Límites de exposición para CO, NO y NO2 en la normativa ASM-2 española
(Fuente: Orden TEC/1146/2018). .......................................................................................... 97
Tabla 2-2.Límites de exposición para CO en diferentes normativas. ..................................... 97
Tabla 3-1. Concentración inicial de CO, NO y NO2 en ppm. ................................................. 116
Tabla 3-2. Tiempos de reingreso seguro. Resumen de resultados. ..................................... 132
Tabla 3-3. Resultados del modelo 1D para CO/NO/NO2 y ventilación soplante. ................. 135

Índice de Figuras
Figura 1-1. Esquema del Sistema de Excavación de Perforación y Voladura (Fuente:
blog.structuralia.com). ........................................................................................................... 31
Figura 1-2. Esquema del Voladura (Fuente: blog.structuralia.com). ..................................... 32
Figura 1-3. Martillo Manual. .................................................................................................. 33
Figura 1-4. Jumbo en perforación. ......................................................................................... 33
Figura 1-5. Tipos de Corte. ..................................................................................................... 35
Figura 1-6. Perforación de barrenos. ..................................................................................... 36
Figura 1-7. Retirada de escombros por medios mecánicos (A-Excavadora frontal y B-
Retroexcavadora). .................................................................................................................. 38
Figura 1-8. Retirada de escombros por medios mecánicos (A-Cargador Frontal y B-Camión
Articulado). ............................................................................................................................. 39
Figura 1-9. Cargador LHD. ...................................................................................................... 39
Figura 1-10. Saneo del Túnel. ................................................................................................. 40
Figura 1-11. El efecto del fuel oil en la cantidad de óxidos de nitrógeno producidos en la
detonación del ANFO. (Fuente: Rowland III y Maineiro, 2000). ............................................ 42
Figura 1-12. El efecto del fuel oil en la cantidad de monóxido de carbono producido en la
detonación del ANFO. (Fuente: Rowland III y Maineiro, 2000). ............................................ 42
Figura 2-1. Perfil longitudinal del túnel con el conducto de ventilación y los gases tóxicos
localizados en el frente de avance del túnel después de la voladura. .................................. 93
Figura 2-2. Área de sección transversal del túnel ferroviario excavada por el método de
cabecera superior y banco. a) Geometría de la sección y conducto de ventilación; b) Situación
de los puntos de observación. ............................................................................................... 93
Figura 2-3. Diagrama esquemático de los sistemas de ventilación. a) Sistema de Ventilación
Soplante; b) Sistema de Ventilación Aspirante; c) Sistema de Ventilación Mixto; d) Zona de
sección transversal del sistema de ventilación mixto. ........................................................... 94
Figura 2-4. Perfil longitudinal del túnel con el conducto de ventilación y el volumen de gases
tóxicos ocupando la distancia L0. ........................................................................................... 96
Figura 2-5. Sección de Área Mojada y Perímetro Mojado (Fuente:
https://hidraulica.uca.es/diametro-hidraulico/). ................................................................ 101
Figura 2-6. Modelo de mallado y condiciones de contorno. Muros de túnel, áreas de sección
transversal y conductos de ventilación (sistemas soplante, aspirante y mixtos). ............... 104
Figura 2-7. Modelo de mallado y contorno para sistemas soplante y aspirante. Vistas de
secciones transversales a sección completa y sección de avance. ....................................... 104
Figura 2-8. Modelo de mallado y condiciones de contorno para sistemas de ventilación
mixtos. Vistas de secciones transversales a sección completa y sección de avance. Detalle del
mallado de las tuberías de ventilación. ............................................................................... 105
Figura 2-9. Vista de las celdas en sección y detalle de los conductos de aire. .................... 105
Noe Merle Hevia

Figura 2-10. Tamaños de malla considerados en el análisis de sensibilidad y detalle del
mallado en la pared del túnel. a) Fino; b) Medio; c) Grueso. .............................................. 106
Figura 2-11. Comparativa de malla. a) Fino; b) Medio; c) Grueso. ...................................... 106
Figura 2-12. Análisis de sensibilidad de rejilla de la concentración de CO a Z=150 m bajo
ventilación soplante. ............................................................................................................ 107
Figura 2-13. Túnel ferroviario excavado utilizando el método de avance y destroza. a) Frente
único y conducto forzado; b) Entrada del túnel con conducto de ventilación soplante; c)
Frente de Avance. (Fuente: Línea AVE Madrid-Galicia). ...................................................... 108
Figura 2-14. Vista del Ventilador Axial tipo ZVN 1-16-250. .................................................. 109
Figura 2-15. Ubicación de los puntos de medición del sensor (P1) a la altura de la zona de
respiración humana (Y=1,6 m) en las secciones transversales de Z= 25 y Z= 75 m. ............ 110
Figura 2-16. Análisis comparativo entre modelo 1D y simulaciones numéricas 3D en la sección
transversal de Z= 50 m bajo ventilación soplante. a) Concentración en masa de CO; b)
Concentración en masa de NO............................................................................................. 110
Figura 2-17. Análisis comparativo entre CFD y mediciones de campo considerando un flujo
de aire de 40 m3/s bajo el modo de ventilación soplante. a) Concentración de CO a Z= 75 m;
b) Concentración de CO a Z= 25 m. ...................................................................................... 111
Figura 2-18. Análisis comparativo entre CFD y mediciones de campo considerando un flujo
de aire de 40 m3/s bajo el modo de ventilación soplante. a) Concentración de NO2 a Z= 75 m;
b) Concentración de NO2 a Z= 25 m. .................................................................................... 111
Figura 3-1. Sección Longitudinal túnel excavado utilizando el método de avance y destroza
donde se observa la longitud de lanzamiento de humos de voladura L0. ........................... 116
Figura 3-2. Resultados del modelo 1D. Distribución de la concentración de masa de CO y TLV
en diferentes secciones transversales y flujos de aire bajo ventilación soplante. a)
Concentración en masa de CO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de CO a 30 m3/s. ..... 117
Figura 3-3. Resultados del modelo 1D. Distribución de la concentración de masa de NO y TLV
en diferentes secciones transversales y flujos de aire bajo ventilación soplante. a)
Concentración en masa de NO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NOa 30 m3/s. .... 118
Figura 3-4. Resultados del modelo 1D. Distribución de la concentración de masa de NO2 y TLV
en diferentes secciones transversales y flujos de aire bajo ventilación soplante. a)
Concentración en masa de NO2 a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NO2 a 30 m3/s. .. 118
Figura 3-5. Distribución de la concentración masiva de gases tóxicos y TLV's en diferentes
secciones transversales considerando un flujo de aire de 40 m3/s y ventilación soplante. a)
Concentración en masa de CO; b) Concentración de masa de CO en diferentes puntos de la
sección transversal Z=75 m; c) NO concentración en masa; d) Concentración en masa de NO2.
.............................................................................................................................................. 121
Figura 3-6. Distribución de la fracción de masa de CO en la sección transversal de Z= 75 m y
con diferentes tiempos bajo ventilación soplante y teniendo en consideración un flujo de aire
de 40 m3/s. ........................................................................................................................... 122
Figura 3-7. Distribución de la fracción de masa de CO en la sección central longitudinal de X=
0 m en diferentes momentos bajo ventilación soplante y considerando un flujo de aire de 40
m3/s. ..................................................................................................................................... 123

Figura 3-8. Distribución de la fracción de masa de CO en la sección central longitudinal de X=
0 m en diferentes momentos bajo ventilación soplante y considerando un flujo de aire de 30
m3/s. ..................................................................................................................................... 124
Figura 3-9. Análisis comparativo de la distribución de la fracción de masa de CO a t = 50 s en
la sección central longitudinal (X= 0 m) bajo modo de ventilación forzada y flujos de aire de
30 y 40 m3/s. ........................................................................................................................ 125
Figura 3-10. Distribución de la concentración de masa de gases tóxicos y TLV en diferentes
secciones transversales considerando un flujo de aire de 30 m3/s y el modo de ventilación
soplante. a) Concentración en masa de CO; b) Concentración de masa de CO en diferentes
puntos de la sección transversal Z=75 m; c) Concentración en masa de NO; d) Concentración
en masa de NO2. ................................................................................................................... 126
Figura 3-11. Distribución de la concentración de masa de gases tóxicos y TLV's en diferentes
secciones transversales bajo ventilación aspirante y utilizando flujos de aire de 30 y 40 m3/s.
a) Concentración en masa de CO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NO y NO2 a 40 m3/s;
c) Concentración en masa de CO a 30 m3/s; d) Concentración de masa de NO y NO2 a 30 m3/s.
.............................................................................................................................................. 127
Figura 3-12. Distribución de la concentración de masa de gases tóxicos y TLV's en diferentes
secciones transversales bajo ventilación aspirante y utilizando flujos de aire de 30 y 40 m3/s.
a) Concentración en masa de NO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NO 30 m3/s; c)
concentración en masa de NO2 a 40 m3/s; d) Concentración de masa de NO2 a 30 m3/s. .. 128
Figura 3-13. Distribución de la concentración de masa de gases tóxicos y TLV's en diferentes
secciones transversales bajo ventilación mixta y utilizando flujos de aire de 30 y 40 m3/s. a)
Concentración en masa de CO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NO y NO2 a 40 m3/s;
c) Concentración en masa de CO a 30 m3/s; d) Concentración de masa de NO y NO2 a 30 m3/s.
.............................................................................................................................................. 129
Figura 3-14. Sistema de ventilación mixta. a) Chorro de soplador a la salida del conducto de
fuerza corta en la sección longitudinal (X= - 4 m) y secciones transversales de Z=180, Z=185,
Z=190 y Z=195 m; b) Vectores de velocidad y detalle de la zona del vórtice en la sección
longitudinal X= - 4 m después de impactar en el frente de avance del túnel. .................... 130
Figura 3-15. Distribución de la fracción de masa de CO en la sección central longitudinal de X
= 0 m en diferentes momentos después de la voladura en modo de ventilación mixta y
utilizando flujos de aire de 15 y 40 m3/s para los conductos soplante y aspirante,
respectivamente. ................................................................................................................. 131
Figura 3-16. Distribución de la concentración de masa de gases tóxicos y TLV's en diferentes
secciones transversales bajo ventilación mixta y utilizando flujos de aire de 30 y 40 m3/s. a)
Concentración en masa de NO a 40 m3/s; b) Concentración en masa de NO a 30 m3/s; c)
Concentración en masa de NO2 a 40 m3/s; d) Concentración de masa de NO2 a 30 m3/s. . 132
Figura 3-17. Resultados del modelo 1D para CO y ventilación soplante. a) Tiempo acumulado
de pérdida de producción en el frente de trabajo; b) Tiempos de espera para cada avance.
.............................................................................................................................................. 133
Figura 3-18. Resultados del modelo 1D para NO y ventilación soplante. a) Tiempo acumulado
de pérdida de producción en el frente de trabajo; b) Tiempos de espera para cada avance.
.............................................................................................................................................. 134
Noe Merle Hevia

Figura 3-19. Resultados del modelo 1D para NO2 y ventilación soplante. a) Tiempo acumulado
de pérdida de producción en el frente de trabajo; b) Tiempos de espera para cada avance.
.............................................................................................................................................. 135

Noe Merle Hevia

1. INTRODUCCIÓN

Noe Merle Hevia

1.1 Marco Normativo
Mediante el presente apartado se quiere presentar la legislación actual que se dispone sobre
la prevención de los gases tóxicos durante los trabajos en túneles tanto a nivel internacional
como a nivel nacional.
1.1.1 Marco Internacional
El Instituto Nacional para la Salud y Seguridad Ocupacional (NIOSH) es la agencia federal del
Gobierno de los Estados Unidos de América encargada de hacer investigaciones y
recomendaciones para la prevención de enfermedades y lesiones relacionadas con el trabajo.
La Ley para la Seguridad y Salud Ocupacional de 1970 creó NIOSH y la Administración de
Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA). OSHA forma parte del Departamento de Trabajo de
los Estados Unidos es el responsable de crear y hacer que se cumplan las reglas de seguridad
y salud en el trabajo. NIOSH forma parte de los Centros para el Control y la Prevención de
Enfermedades (CDC) del Departamento de Salud y Servicios Humanos (DHHS). NIOSH es una
agencia que fue establecida para ayudar a garantizar condiciones de trabajo seguras y
saludables para los hombres y mujeres que trabajan, mediante actividades de investigación,
información, educación y capacitación en el campo de la seguridad y salud ocupacional.
La misión de NIOSH es generar nuevos conocimientos en el campo de la salud y seguridad
ocupacional y adaptar esos conocimientos a la práctica para la mejora de la situación de los
trabajadores. Para cumplir esta misión, NIOSH realiza investigaciones científicas, elabora
directrices y recomendaciones de obligatoriedad, difunde información y responde a
solicitudes para la realización de evaluación deriesgos de salud en el lugar de trabajo.
NIOSH ofrece liderazgo a nivel nacional e internacional para prevenir enfermedades,
lesiones, discapacidad y muerte relacionadas con el trabajo, mediante la recolección de
datos, la realización de investigaciones científicas y la aplicación del conocimiento obtenido
en la creación de productos y servicios, entre los que se incluyen productos de información
científica, videos de capacitación y recomendaciones para mejorar la salud y seguridad en el
lugar de trabajo.
En 1974, NIOSH colaboró con la OSHA en la elaboración de una serie de normas de salud
ocupacional relacionadas con sustancias que tienen Límite de Exposición Permisibles (PEL).
Este esfuerzo conjunto fue denominado Programa de Elaboración de Normas e incluyó la
colaboración de contratistas y personal de varias divisiones de NIOSH y OSHA. El Programa
de Elaboración de Normas esbozó propuestas de normas específicas para 380 sustancias
INTRODUCCIÓN
17

químicas con documentación de apoyo a manera de información técnica y las
recomendaciones necesarias para la promulgación de nuevas regulaciones de salud
ocupacional. La Guía de bolsillo se elaboró para ofrecer de una manera práctica la
información técnica acerca de las normas propuestas a trabajadores, empleadores y
profesionales en salud ocupacional. La Guía de bolsillo se actualiza periódicamente para
reflejar los nuevos datos sobre toxicidad de varias sustancias químicas y los cambios en las
normas o recomendaciones sobre exposición.
Con la autoridad que le confiere la Ley de Seguridad y Salud Ocupacional de 1970 (29 USC
Capítulo 15) y la Ley de Seguridad y Salud Minera de 1977 (30 USC Capítulo 22), NIOSH
establece y revisa periódicamente los límites de exposición recomendada (REL) para
sustancias o condiciones peligrosas en el sitio de trabajo. NIOSH también recomienda
medidas adecuadas de prevención para reducir o eliminar los efectos adversos en la salud y
la seguridad derivados de estos peligros. Para formular estas recomendaciones, NIOSH
evalúa toda la información médica, biológica, química, ingenieril y comercial disponible y
demás datos relevantes sobre peligros ocupacionales. Acto seguido, estas recomendaciones
se publican y se divulgan a la OSHA y la Administración de Seguridad y Salud Minera (MSHA)
para que sirvan de base en la promulgación de normas de cumplimiento legal.
Las recomendaciones de NIOSH se publican en diversos documentos. Los documentos sobre
criterios recomiendan límites de exposición en el sitio de trabajo y medidas preventivas
adecuadas para reducir o eliminar los efectos adversos en la salud y las lesiones accidentales.
Los Boletines de Inteligencia Actualizada (CIB) se publican para divulgar información científica
nueva sobre peligros ocupacionales. Un boletín CIB puede llamar la atención sobre un peligro
que anteriormente no se reconocía, reportar datos nuevos sobre peligros conocidos o
presentar información sobre control de peligros.
Las publicaciones de Alertas, Revisiones de riesgos especiales, Evaluaciones de riesgos
ocupacionales y las Directrices técnicas sirven de apoyo y complemento para las otras
actividades de elaboración de normas del Instituto. Su propósito es evaluar la seguridad y los
problemas de salud asociados a una sustancia o un peligro determinados (p. ej., la posibilidad
de lesiones o efectos carcinógenos, mutagénicos o teratogénicos) y recomendar los métodos
adecuados de vigilancia y control. Estos documentos no están diseñados para reemplazar
documentos con criterios más exhaustivos, sino que su fin es asistir a OSHA y MSHA en la
formulación de reglamentos.
Noe Merle Hevia

Además de estas publicaciones, NIOSH rinde testimonios periódicamente ante varias
comisiones del Congreso y audiencias de reglamentación de la OSHA y la MSHA.
Las recomendaciones realizadas hasta 1992 se pueden encontrar en un solo compendio
titulado [1]. Este documento se ha elaborado para ofrecer una lista exhaustiva de los
documentos del NIOSH que contienen recomendaciones sobre normas de seguridad y salud
en el lugar de trabajo. Nuestra intención es poner esta información convenientemente a
disposición de trabajadores, empresarios, profesionales de la salud laboral y representantes
sindicales.
En 1994, NIOSH procede con la publicación de [2]; esta guía estaba destinada a servir como
fuente de información general sobre higiene industrial para trabajadores, empresarios y
profesionales de la salud laboral. La Guía proporcionaba información y datos clave en forma
de tabla abreviada para 677 productos químicos o agrupaciones de sustancias que se
encuentran en el entorno laboral. Las sustancias químicas o agrupaciones de sustancias
contenidas en esta revisión incluían todas las sustancias para las que el NIOSH ha
recomendado límites de exposición y las que tienen límites de exposición permitidos según
la Norma de Contaminantes del Aire de la Industria General de la Administración de
Seguridad y Salud Ocupacional. La información proporcionada sobre cada una de las
sustancias químicas incluía el nombre químico y la estructura/fórmula, los números
“Chemical Abstracts Service” (CAS) y “Register of Toxic Effects of Chemical Substances “
(RTECS) y los números de identificación y guía del Departamento de Transporte de EEUU
(DOT), los sinónimos, los nombres comerciales, los factores de conversión, los límites de
exposición, las concentraciones inmediatamente peligrosas para la vida o la salud (IDLH), la
descripción física, las propiedades químicas y físicas, el método de medición, las
incompatibilidades y reactividades, la protección personal y el saneamiento, las
recomendaciones para la selección de la mascarilla de respiración, la vía de riesgo para la
salud, los primeros auxilios, los órganos diana y los síntomas.
Los límites de exposición recomendados por el NIOSH (Recommended Exposure Limits - REL)
se enumeran en dicha guía. Para los REL del NIOSH, "TWA" indica una concentración media
ponderada en el tiempo para una jornada laboral de hasta 10 horas durante una semana
laboral de 40 horas. Un límite de exposición a corto plazo (Short Term Exposure Limit - STEL)
se designa con "ST" delante del valor; a menos que se indique lo contrario, el STEL es una
exposición TWA de 15 minutos que no debe superarse en ningún momento durante la
INTRODUCCIÓN
19

jornada laboral. Un REL de techo se designa con "C" delante del valor; a menos que se
indique lo contrario, el valor de techo no debe superarse en ningún momento
Una de las últimas revisiones realizadas por la NIOSH ha sido [3] editada en Setiembre 2007.
Otros países que han desarrollado una normativa propia respecto a las concentraciones de
gases en los lugares de trabajo ha sido Australia, debido a su gran tradición minera.
El proyecto de ley sobre la Comisión Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (derogación,
consecuencias y disposiciones transitorias) de 2005 (proyecto de ley NOHSC) suprimirá la
Comisión Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (NOHSC) [4].
El Proyecto de Ley sobre Normas de Seguridad en el Trabajo en Australia de 2005 (el Proyecto
de Ley AWSS) proporcionará un marco para la declaración de normas de salud y seguridad
en el trabajo a través del Consejo Australiano de Seguridad e Indemnización. Sin embargo, el
proyecto de ley AWSS no preverá el establecimiento o la creación del Consejo Australiano de
Seguridad e Indemnización: este órgano y todas sus funciones y competencias se
establecerán administrativamente.
La NOHSC se creó el 11 de octubre de 1984 con carácter no estatutario y, al año siguiente, se
estableció en virtud del artículo 6 de la Ley de la Comisión Nacional de Seguridad y Salud en
el Trabajo de 1985 (Ley NOHSC). El Gobierno propone sustituir la NOHSC por el Consejo
Australiano de Seguridad y Compensación (ASCC).
La legislaciónaustraliana en materia de salud y seguridad en el trabajo se revolucionó en los
años setenta a raíz de una investigación parlamentaria del Reino Unido sobre salud y
seguridad en el trabajo. La investigación se encargó a raíz de la percepción de prácticas de
seguridad y registros deficientes en industrias británicas clave. El Informe del Comité de
Investigación sobre Salud y Seguridad en el Trabajo de 1972 se conoció como el Informe del
Comité Robens [5].
En 1974 se aprobó en el Reino Unido una legislación que adoptaba sus recomendaciones. Los
Estados australianos siguieron la tendencia legislativa en los años 80 [6]. El informe del
Comité Robens observó que la escasa frecuencia y a menudo la larga latencia de las lesiones
en el lugar de trabajo implicaban que los individuos no tenían suficiente experiencia personal
de las lesiones para suscitar una concienciación significativa sobre la salud y la seguridad en
el trabajo. Concluía que si la experiencia individual no conduce normalmente a la
Noe Merle Hevia

concienciación en materia de seguridad, entonces debe fomentarse deliberadamente la
concienciación en materia de seguridad mediante tantos métodos específicos como puedan
idearse.
La creación del NOHSC en 1984 reflejó muchos de los planteamientos que habían ido
ganando impulso desde la década de 1970. En su Declaración Ministerial de 11 de octubre
de 1984, el Honorable Ralph Willis estableció objetivos y un marco de funcionamiento para
el NOHSC como parte de la maquinaria federal-estatal de salud y seguridad en el trabajo [7].
Las partes clave de la estrategia del NOHSC eran:
- Reducir el inaceptablemente elevado registro nacional de muertes, lesiones y
enfermedades profesionales. En aquel momento, por término medio, cada día
laborable en Australia se producía una víctima mortal en el trabajo. Los accidentes
laborales con baja se producen 600 veces al día en todo el país.
- La mejora de las condiciones de trabajo como objetivo básico del acuerdo sobre
precios e ingresos. En el centro de este compromiso estaba la convicción del
Gobierno de que todos los trabajadores tienen derecho a un entorno laboral seguro
y saludable.
Los gobiernos de los Estados y de la Commonwealth tienen funciones y responsabilidades
claras y diferenciadas. La creación de la NOHSC no transfirió responsabilidades, sino que dio
lugar a actividades adicionales y beneficiosas. La Commonwealth se encargó de la
elaboración de normas, la investigación, la formación y la recopilación y difusión de
información, lo que podría decirse que se hace de forma más eficiente y eficaz a escala
nacional. Las propuestas representan una iniciativa positiva de federalismo cooperativo.
La máxima prioridad de la nueva Comisión era el desarrollo de enfoques legislativos
uniformes en materia de salud y seguridad en el trabajo y la elaboración de normas
nacionales.
El sistema nacional de notificación y evaluación de sustancias químicas, que proporciona un
mecanismo para evaluar las nuevas sustancias químicas antes de que entren en el mercado
australiano, y para la evaluación de las sustancias químicas existentes iba a ser
responsabilidad de la NOHSC, aunque esta responsabilidad se ha transferido desde entonces.
INTRODUCCIÓN
21

Esta delegación es el resultado de las recomendaciones de las revisiones realizadas a
mediados de los años 90 [8].
La dirección del NOHSC cambió significativamente en mayo de 1997. El Consejo de Ministros
de Trabajo (LMC) encargó al NOHSC el desarrollo de temas actuales de salud y seguridad en
el trabajo para las empresas, en particular para las pequeñas empresas. Se iba a prestar
menos atención a la elaboración de normas nacionales coherentes en materia de salud y
seguridad en el trabajo.
Como consecuencia de esta nueva dirección estratégica, el Consejo Australiano de Sindicatos
(ACTU) afirmó que no se habían elaborado nuevas normas nacionales de salud y seguridad
en el trabajo para el sector de la edificación y la construcción entre 1997 y 2003, momento
en el que un informe de la Comisión Real sobre el Sector de la Edificación y la Construcción
había acogido con satisfacción la intención de reanudar el establecimiento de normas. Cabe
destacar que se acordó que la NOHSC se encargaría de elaborar una norma nacional para la
construcción y códigos de prácticas para la prevención de caídas y para los trabajos de
demolición.
La NOHSC también colaboró en la recopilación de datos que permitieran comparar los
siniestros y los costes de los sistemas de indemnización de los trabajadores de los Estados y
Territorios [9]. El 24 de mayo de 2002, el Consejo de Ministros de Relaciones Laborales
(WRMC) (antes LMC) aprobó una Estrategia nacional de salud y seguridad en el trabajo 2002-
2012 [10].
La estrategia en materia de salud y seguridad en el trabajo es importante porque, por primera
vez, todas las jurisdicciones australianas (estatales y locales) y las principales organizaciones
de empresarios y trabajadores (ACCI y ACTU) se comprometen a establecer unos objetivos
nacionales mínimos y unas prioridades nacionales para mejorar la salud y la seguridad en el
trabajo. Los ministros han acordado que la estrategia de salud y seguridad en el trabajo tenga
una duración de diez años y sea supervisada por el Consejo.
La Estrategia Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo 2002-2012 esboza los objetivos
nacionales iniciales en materia de salud y seguridad en el trabajo, que son:
 Mantener una reducción significativa y continua de la incidencia de las
muertes relacionadas con el trabajo, con una reducción de al menos el 20%
para el 30 de junio de 2012 y
Noe Merle Hevia

 Reducir la incidencia de las lesiones en el lugar de trabajo en al menos un
40% para el 30 de junio de 2012 [11].
La sustitución de la NOHSC por el Consejo Australiano de Seguridad y Compensación (ASCC)
se justifica debido a las siguientes razones:
 Estará compuesto por representantes de los gobiernos de cada Estado y
Territorio, así como del Gobierno de la Commonwealth, junto con
representantes de los empresarios y los trabajadores.
 Establecerá un enfoque nacional de la seguridad en el lugar de trabajo y la
indemnización de los trabajadores que actualmente no existe en Australia.
En la actualidad no existe en Australia un organismo nacional para la
indemnización de los trabajadores. Esto significa que no hay coherencia en
la indemnización de los trabajadores, ni un enfoque nacional. La
indemnización es un sistema complejo que los empresarios y los
trabajadores tienen dificultades para comprender.
 El papel principal de la ASCC consistirá en coordinar la investigación y
proporcionar asesoramiento político al WRMC, compuesto por el Ministro
Federal de Relaciones Laborales y sus homólogos estatales y territoriales.
La ASCC mejorará la salud y la seguridad en el lugar de trabajo de empresarios y trabajadores.
Por primera vez, las cuestiones relativas a la indemnización de los trabajadores se debatirán
en un foro nacional.
La ASCC se basará en los logros de la NOHSC en la búsqueda de un enfoque nacional para las
cuestiones de salud y seguridad en el trabajo e indemnización de los trabajadores. Es
importante subrayar que todo el importante trabajo emprendido actualmente por la NOHSC
continuará.
El personal de la NOHSC fue transferido al Departamento de Empleo y Relaciones Laborales
(DEWR) en febrero de 2005.
Se han realizado estudios de comparativas entre legislaciones de diferentes países como ha
sido este estudio [12]. El objetivo principal del artículo es presentar los resultados de la
investigación sobre la necesidad de un documento reconocido que sea apropiado para todos
INTRODUCCIÓN
23

los países que realizan voladuras a cielo abierto. La investigación se realizó teniendo en
cuenta dos ámbitos de la seguridad minera, como sonla salud y seguridad en el trabajo para
establecer normas de exposición ambiental a gases nocivos y la seguridad industrial para
establecer la secuencia de las operaciones de voladura para evitar la propagación de gases
tras la voladura. Además, se incluye una breve descripción de los parámetros clave que deben
incluirse en la documentación.
Cabe señalar que las normas de exposición profesional sobre el NOx en Rusia son mucho más
estrictas que en Australia si se mide el STEL en mg/m3 sin embargo en Australia el mismo
valor se mide en ppm (partes de vapor o gas por millón de partes de aire contaminado en
volumen). Los valores se indican en la Tabla 1-1 y Tabla 1-2.
Tabla 1-1. Normas de exposición profesional al NO2 en Rusia (Fuente: [12]).
Chemical Name
STEL
(mg/m3)
Hazard category
Nitrogen dioxide
(Nitrogen (IV) oxide)
2.0 3.0
Tabla 1-2. Normas de exposición profesional al NO2 en Australia (Fuente: [12]).
Chemical Name
STEL
(mg/m3)
STEL
(mg/m3)
Nitrogen dioxide 9.4 5.0

1.1.2 Marco Nacional
En el caso de la legislación nacional en el ámbito de la minería, se dispone de la siguiente
normativa. La actual legislación en materia de minería nace del Reglamento de Policía
Minera y Metalúrgica de 23 de agosto de 1934 [13], que estableció las reglas a que se deben
ajustar las explotaciones e industrias relacionadas con la minería. Se debe tener en cuenta
que dicho reglamento estaba muy enfocado en la minería del carbón y muy adaptada a ella.
Si bien dicho Reglamento es un documento muy extenso y con mucha información, en el caso
particular de los niveles de exposición al CO, NO y NO2 no vienen reflejados en la misma. Si
se habla de las condiciones de ventilación en el capítulo XIV “Ventilación” pero no llega a
disponer de los valores límites de dichos gases nocivos para la salud de los trabajadores.

Noe Merle Hevia

En el artículo 188 del referido Reglamento dentro del capítulo XX “Obligaciones del Personal”
se indica lo siguiente:
“” Artículo 188.
Será misión de los Vigilantes en cada una de las zonas que se les asigne:
1.° No permitir la entrada de los obreros en las labores, sobre todo el día siguiente
de una parada, hasta haberse cerciorado de que el aire es suficientemente puro, la
ventilación bastante activa y de que no existe causa alguna apreciable de peligro…“”
El reglamento [13] ha sido sucesivamente ampliado y actualizado mediante las siguientes
disposiciones complementarias y modificaciones del mismo:
 Decreto 2540/1960, de 22 de diciembre, ventilación en las minas [14];
 Decreto 1466/1962, de 22 de junio, sobre explosivos [15];
 Decreto 416/1964, de 6 de febrero, sobre instalaciones eléctricas en minería [16], y
 Decreto 2991/1967, de 14 de diciembre, sobre ventilación de locomotoras de
combustión interna [17].
Los continuos progresos que en la técnica minera se han ido produciendo y el extraordinario
desarrollo alcanzado en los últimos tiempos en la maquinaria utilizada en las explotaciones,
hacen necesario modificar el contenido del citado Reglamento.
Por otra parte, la distribución de competencias derivadas de la Constitución y de los Estatutos
de autonomía, aconsejan, en aras de intereses generales, el establecimiento de un común
denominador normativo de vigencia en toda la Nación, que contenga los criterios básicos
generales en materia de seguridad minera, criterios que deben entenderse como mínimo y
que serán de aplicación directa en todo el territorio nacional.
El Reglamento General será desarrollado por Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC)
que se dictarán por Orden del Ministerio de Industria y Energía. Dicho desarrollo sólo
resultará de aplicación directa en las comunidades autónomas con competencia de
desarrollo legislativo y ejecución en materia de régimen minero, en lo relativo a la
normalización y homologación de elementos en razón a la unidad de mercado y su
consecuente principio constitucional de libre circulación de bienes, así como las ITC sobre
INTRODUCCIÓN
25

materia de explosivos, cuyo régimen compete al Estado con carácter exclusivo de acuerdo
con el artículo 149.1.26 de la Constitución.
Después de estos reglamentos y el tiempo transcurrido se procede con la publicación del Real
Decreto 863/1985, [18] quedando derogado en su integridad el Reglamento de 1934 y demás
Decretos complementarios.
En el capítulo IV de este R.D. “Labores Subterráneas”, en los apartados “4.7. Ventilación y
Desagüe” y “4.8. Condiciones Ambientales” ya se observan artículos más específicos sobre la
ventilación y las condiciones de trabajo en explotaciones mineras.
“” Artículo 69.
Las concentraciones volumétricas admisibles para los distintos gases peligrosos
a lo largo de una jornada de trabajo se especifican en Instrucciones Técnicas
Complementarias.
En ninguna actividad la proporción de oxígeno será inferior al 19 por 100 en volumen. En caso
necesario se realizará la corrección pertinente por altitud. “”
“” Artículo 74.
La salubridad de todos los puntos de trabajo estará asegurada fundamentalmente
mediante una renovación de aire cuyo contenido de gases, vapores y polvos nocivos no
resulte peligroso o mediante otras medidas que en cada caso sean recomendables.
Asimismo, se evitarán los efectos perjudiciales de ruidos y vibraciones.””
“” Artículo 75.
Todas las Empresas dedicadas a actividades en las que pueda originarse polvos
nocivos, elaborarán anualmente una Memoria en la que indicarán las medidas de tipo
técnico que piensen adoptar para suprimir, diluir, asentar y evacuar los polvos que puedan
producirse en la realización de los trabajos. Dicha Memoria, en la que figurarán los
resultados obtenidos el año anterior y los nuevos casos de neumoconiosis diagnosticada se
incluirá como un capítulo del Plan de Labores Anual.””
“” Artículo 76.
Se clasificarán las labores o lugares donde se produzcan polvos nocivos según el índice de
Noe Merle Hevia

peligrosidad del ambiente. El índice de peligrosidad de una labor se determinará en
función del peso del polvo respirable por metro cúbico y de su porcentaje de sílice libre.””
“” Artículo 77.
Se establecerán mediante Instrucciones Técnicas Complementarias los criterios y
metodología para definir la peligrosidad de las labores o lugares, teniendo en cuenta el
estado de los conocimientos sobre la nocividad de los diferentes tipos de polvo, gases y
vibraciones, así como la evolución técnica de las medidas de prevención.””
Posteriormente a esta publicación, le siguieron numerosas ITC al Reglamento General de
Normas Básicas de Seguridad Minera. Una de ellas esta orden [19] que incluye un apartado
especial en la misma de nombre “Concentraciones límites de gases. Temperatura, humedad,
clima” que se completa con la redacción de la ITC 04.7.02.
Si acudimos a la Orden Ministerial [20].
La mejora contenida en esta orden, sobre las disposiciones específicas relativas a la
concentración límite de gases en actividades subterráneas, se alinea con el camino marcado
por la Directiva 2017/164/UE [21] que contempla un periodo transitorio, que finaliza el 21 de
agosto de 2023, para los sectores de la minería subterránea y la construcción de túneles
(actividades comprendidas en el ámbito de aplicación del RGNBSM), habiéndose previsto la
reevaluación de su aplicabilidad a los referidos sectores antes de que finalice dicho periodo.
De acuerdo con lo anterior, la presente ITC actualiza al progreso técnico la base legal mínima
para la adecuada protección de los trabajadores frente a riesgos para la salud debidos a la
exposición de gases tóxicos.
Dentro de la Orden [20], en su apartado “INSTRUCCIÓN TÉCNICA COMPLEMENTARIA 04.7.06
«Control de gasestóxicos en la atmósfera de las actividades subterráneas»” ya se fijan los
valores límites ambientales en las actividades subterráneas que permitan proteger a los
trabajadores frente a los riesgos para la salud debidos a la exposición de los siguientes gases
tóxicos: CO; CO2; NO; NO2; SH2; y SO2.
Los límites de exposición para CO, NO y NO2 según la legislación española en materia de
minería (MAPE-2 o ASM-2) son según los que se muestran en la tabla 1.3. Se indican el
promedio ponderado en el tiempo (TWA) y el límite de exposición a corto plazo (STEL).
INTRODUCCIÓN
27

TWA es la concentración promedio ponderada en el tiempo de una sustancia tóxica durante
una jornada laboral normal de 8 h y una semana laboral de 40 h. En la ITC, el TWA se define
como Valor límite ambiental para la exposición diaria (VLA-ED).
STEL es el límite de exposición aceptable a una sustancia tóxica durante un período de 15
min. En la ITC, el STEL se define como Valor límite ambiental para exposiciones de corta
duración (VLA-EC).
Tabla 1-3. Límites de exposición para CO, NO y NO2 en la normativa ASM-2 española
(Fuente Orden TEC/1146/2018).

En la misma ITC, se identifica la forma de realizar la medición de las concentraciones de los
gases nocivos. Dicha medición que se indica en la norma no supone la no obligación de
conseguir (bien por médicos mecánicos u organizativos), el riesgo mínimo para la salud de
los trabajadores. Las mediciones se llevarán a cabo contando con una metodología reflejada
en el documento de seguridad y salud del proyecto, que incluya una estrategia y método de
medición adecuados, con el fin de cumplir los requisitos de la ITC. Normalmente se realizarán
3 tipos de mediciones:
 Medición inicial (para la evaluación inicial del riesgo).
 Mediciones periódicas.
 Medición de control, con el fin de evitar sobrepasar el VLA-EC y como control
o vigilancia para evitar sobrepasar el VLA-ED.
Las mediciones iniciales y periódicas se realizarán desde una perspectiva de higiene
industrial, con lo cual se debe medir la exposición del trabajador mediante muestreador
ubicado adecuadamente (que permita captar las concentraciones en la zona de respiración).
El criterio de medición ambiental en el entorno del trabajador, como sustitutivo de lo
anterior, deberá estar adecuadamente justificado y reflejado en la metodología de medición
y por tanto, en el documento de seguridad y salud.
Gases TWA (ppm) STEL (ppm)
CO 25 100
NO 30 200
NO2 3 5
Noe Merle Hevia

Dichas mediciones deberán permitir tomar una decisión sobre el riesgo a que están
sometidos los trabajadores, de acuerdo con el valor límite (VLA-ED) establecido. Para ello, en
cada puesto de trabajo con riesgo, será preciso:
a. Determinar la concentración de la exposición laboral ponderada para ocho horas
(CEL). Es decir, la concentración de gas tóxico durante toda la jornada laboral,
referida a ocho horas según la fórmula de cálculo CEL (Orden TEC/1146/2018).
𝐶𝐸𝐿 =
∑𝑐𝑖∗𝑡𝑖
∑ 𝑡𝑖
=
𝑐1∗𝑡1+𝑐2∗𝑡2+ … +𝑐𝑛∗𝑡𝑛
8

dónde ci y ti son la concentración del tóxico obtenida en cada período y la duración de cada
período, respectivamente.
b. Obtener el índice de exposición de la sustancia (I), como resultado de la fórmula:
𝐼 =
𝐶𝐸𝐿
𝑉𝐿𝐴−𝐸𝐷

c. Establecer un criterio de decisión de acuerdo a lo indicado en la Tabla 1-4.
Tabla 1-4. Mediciones a realizar en función del Índice de Exposición (I) obtenido (Fuente
Orden TEC/1146/2018).
I obtenido Medición de control Medición periódica
I ≤ 0,1, al menos, 3 jornadas diferentes No es necesario 6 meses
I ≤ 0,25, al menos, 3 jornadas diferentes Mensual 6 meses
I < 1, al menos, 3 jornadas diferentes y
la media aritmética ≤ 0,5 Semanal
6 meses
I < 1, al menos, 3 jornadas diferentes y
la media aritmética > 0,5
Diaria 6 meses
Se llevará a cabo un estudio e implantación de medidas de prevención
específicas en función del origen del gas.
I ≥ 1 Exposición inaceptable. Se debe proceder a corregir la situación.
Si alguna concentración ci permitiese sospechar que se puede alcanzar el valor límite
ambiental para exposiciones de corta duración (VLA-EC), se llevará a cabo el estudio
pormenorizado del origen del problema, impidiendo el acceso al puesto de trabajo mientras
no se solvente el mismo.
En el caso de que el conjunto de mediciones iniciales (normalmente tres) no se puedan
considerar representativas respecto a cualquier jornada, se llevarán a cabo las mediciones
precisas hasta alcanzar dicha representatividad.
INTRODUCCIÓN
29

En todo caso, se procederá a realizar una reevaluación cuando se modifiquen las condiciones
de operación en un puesto de trabajo.
En cuanto a las mediciones de control, se realizarán las que sean precisas para evitar que se
sobrepasen los VLA-EC y, como vigilancia, para evitar sobrepasar el VLA-EC. Las mediciones
de control se llevarán a cabo durante un tiempo de 15 minutos, en la situación o situaciones
más desfavorables de la jornada laboral.
La estrategia, anteriormente citada, tendrá en cuenta los diversos factores que intervienen
en la generación de atmósferas nocivas: ciclos de disparo de explosivos, utilización y
mantenimiento de maquinaria, dilución de gases y ventilación.
Como resumen general se presenta la siguiente tabla, que incluye los límites de exposición
para CO de acuerdo con las regulaciones internacionales de seguridad y salud como NOHSC
(National Occupational Health & Safety Commission, Australia), NIOSH (National Institute for
Occupational Safety and Health, USA) y OSHA (Occupational Safety & Health Administration,
USA) así como con la normativa a nivel nacional sobre este gas nocivo.
Tabla 1-5. Límites de exposición al CO según las normas internacionales y
nacionales de salud y seguridad.
Directrices TWA (ppm) STEL (ppm)
ASM-2 25 100
NOHSC 30 200
NIOSH 35 200
OSHA PEL 35 200

Noe Merle Hevia

1.2 Método de Excavación por Perforación y Voladura
El método de excavación por perforación y voladura con explosivos es ampliamente utilizado
para la excavación de túneles de roca dura y por lo tanto, ha sido el método de perforación
elegido en esta Tesis.
El método de excavación por perforación y voladura es especialmente válido en la ejecución
de un túnel en roca cuando ésta es muy abrasiva y resistente o se encuentra en estado
masivo. Es necesario taladrar la superficie del frente del túnel, cargándose estos taladros con
explosivos, que se detonarán. Esta reacción explosiva genera un volumen de gases (gases
nocivos) y vibraciones que rompen la roca.
Para minimizar los daños sufridos por el macizo rocoso es necesario que la voladura se realice
de forma controlada, suave y con precorte.
Ciclo de Trabajo del sistema de excavación de túneles.
El ciclo de trabajo en este sistema de excavación es el siguiente [22] y [23]:
1. Replanteo del esquema de tiro.
2. Perforación de los taladros.
3. Carga del Explosivo, conexiones y comprobaciones.
4. Voladura y Ventilación (Fase en estudio de esta Tesis).
5. Retirada del escombro.
6. Saneo del frente, clave y hastiales.

INTRODUCCIÓN
31

Figura 1-1. Esquema del Sistema de Excavación de Perforación y Voladura (Fuente:
blog.structuralia.com).

1. Replanteo del esquema de tiro.

El esquema de tiro es la disposición de los taladros a perforar en el frente del túnel, junto con
los explosivos y el orden en el que detonar las diferentes cargas. La longitud de la explosión
debe ser entre un 5 y un 10 % mayor que el avance.
Los taladros del esquema de tiro no se detonan a la vez; existe un pequeño retardo entre
ellos y por eso es necesario ordenarlos en el esquema. Este desfase de tiempo hace más
efectiva la voladura.
Se distinguen cuatro zonas en el esquema de tiro (que varían en función de la densidad de
perforación, cargaespecífica del explosivo y secuencia del encendido).
 Cuele y contracuele: es la fase más importante y provoca la primera abertura en el
frente, lo que facilita posteriormente el arranque de otras zonas.
 Destroza: parte central y más amplia. El éxito de esta zona depende en gran medida
de la zona de cuele y contracuele.
 Zapateras: es la zona de voladura situado a ras de suelo.
 Contorno: con el contorno se aproxima a la superficie teórica. A veces no son
utilizados por su elevado coste.

Noe Merle Hevia

Figura 1-2. Esquema del Voladura (Fuente: blog.structuralia.com).
2. Perforación de los Taladros.

El principio de la perforación es obtener la máxima penetración para permitir la colocación
de las cargas explosivas.
La precisión de la perforación es importante para obtener los resultados deseados. La
voladura se diseña en función de la distribución de los explosivos en la roca. Si un orificio está
fuera de un límite, puede haber demasiados explosivos en una zona y muy pocos en la zona
opuesta.
Dentro de la maquinaria utilizada para la perforación podemos encontrar los martillos
normales o manuales y los jumbos.
Los primeros son de aire comprimido y su funcionamiento se basa en la percusión. El detritus
sobrante sale junto con el agua utilizada en la refrigeración. Se requiere mucha mano de
obra.
Los jumbos, sin embargo, son máquinas con motor eléctrico que llevan incorporados varios
martillos de perforación. Estos funcionan a rotopercusión con accionamiento hidráulico.
Existen modelos de este tipo de máquinas que tienen la posibilidad de memorizar el esquema
de tiro y perforar de forma autónoma. Los rendimientos son superiores a los de los martillos
normales o manuales, pudiendo superar los 3,5 metros por minuto.
Se está usando la modelización informática sobre la base de un método de elementos finitos
para el establecimiento de zonas de compresión y formaciones de grietas en el macizo
alrededor de los disparos teniendo en cuenta tales características energéticas del explosivo
de emulsión como la velocidad de detonación, el calor de explosión, la densidad de los
explosivos, etc… [24].

INTRODUCCIÓN
33

Figura 1-3. Martillo Manual.

Figura 1-4. Jumbo en perforación.

Se han producido numerosos estudios de software para la mejora de la fragmentación de la
roca cuando se produce la explosión [25].

3. Carga del Explosivo, conexiones y comprobaciones.

Los taladros previamente realizados son usados para incluir el explosivo a detonar y producir
de dicha manera la fractura de la roca. Se presenta en la Tabla 1-6 los explosivos usados más
comúnmente, así como sus características principales [26].

Noe Merle Hevia

Tabla 1-6. Características de los explosivos de voladura (Fuente: [26]).
Breakdwon of Blasting Explosives
Explosive Base Explosive Type Features
Nitroglycerin Dynamite Gelatin
A highly adaptable cartridge explosive currently widely used because
of its excellent performance in smaller diameter holes.
Ammonium
Nitrate ANFO
A low cost, high-power, extremely safe, liquid explosive made from
porous prilled ammonium nitrate and fuel oil. Poor water resistance.
Water Oil Slurry Emulsion
Essentially, ANFO wich becomes water resistant by adding water and
forming either a gel (water gel), or creating astable oil/water
emulsion and ANFO called heavy ANFO. Available in package or liquid
form.
La carga de los barrenos puede realizarse rápidamente de forma manual con cargas de tubos
de plástico o de forma mecánica con equipos de carga neumática.

4. Voladura y Ventilación (Fase en estudio de esta Tesis).
En la excavación de túneles, la voladura funciona hacia el exterior desde el primer agujero
alrededor de los agujeros sin carga del corte. Cada voladura proporciona más espacio para
el siguiente anillo de barrenos.
El éxito de la voladura de la sección cortada es fundamental para el éxito de toda la ronda.
Dado que los barrenos del corte sólo tienen inicialmente una dirección en la que expandirse,
la carga específica en el corte es considerablemente mayor que en el resto del túnel y puede
incluso superar los 10 kg/m3. La mayoría de los agujeros de corte (especialmente en túneles
grandes) tienen una gran zona de expansión. Estos barrenos se consideran cercanos a los
barrenos de voladura en superficie para los cálculos de carga. Para la carga de los barrenos
se utiliza el mismo explosivo, normalmente ANFO, que en la zona de corte. El desarrollo de
los explosivos se ha orientado hacia productos con mejores humos, como los explosivos de
emulsión. Para las voladuras suaves se utilizan explosivos aligerados o explosivos especiales
para voladuras suaves. Los sistemas de iniciación como el NONEL reducen el tiempo de carga
y añaden más seguridad a la operación de voladura porque es insensible a los riesgos
eléctricos. Los agujeros de contorno deben volarse casi en último lugar con cordón detonante
o con el mismo número de detonación. Es importante detonar simultáneamente cada
sección de voladura lisa (paredes o techo) para conseguir una superficie lisa y uniforme. Los
detonadores electrónicos quizá se conviertan también en los detonadores del futuro en la
excavación de túneles, debido a su mayor precisión de sincronización. Los agujeros inferiores
se chorrean en último lugar, justo antes de los agujeros de las esquinas inferiores. Esto
levanta un poco la pila de roca suelta, lo que facilita la limpieza. La carga y la perforación
INTRODUCCIÓN
35

específicas pueden llegar a ser bastante elevadas en túneles pequeños debido al reducido
espacio libre disponible.
La secuencia de voladura en un túnel o galería parte siempre del "corte", un patrón de
taladros en el centro o cerca del centro del frente, diseñado para proporcionar la línea de
deformación ideal.
La colocación, disposición y precisión de perforación del corte es crucial para el éxito de la
voladura en la excavación de túneles. Se ha utilizado una gran variedad de tipos de corte en
minería y construcción, pero básicamente se dividen en dos categorías: cortes basados en
agujeros paralelos y cortes que utilizan agujeros perforados en determinados ángulos. Los
tipos de corte más comunes hoy en día son el paralelo y el en V (Figura 1-5). El corte en V es
el más antiguo de los dos y todavía se utiliza mucho en la construcción. Es un tipo de corte
eficaz para túneles con una sección transversal bastante grande y requiere menos taladros
que un corte paralelo. El corte paralelo se introdujo cuando aparecieron en el mercado las
primeras taladradoras mecanizadas, que hicieron posible la perforación paralela precisa.

Figura 1-5. Tipos de Corte.
El corte paralelo tiene un gran número de variaciones menores, sin embargo, la disposición
básica siempre implica uno o varios agujeros sin carga perforados en el centro del corte o
muy cerca de él, proporcionando espacio vacío para que los agujeros volados adyacentes se
hinchen en él. Los orificios de corte sin carga suelen ser grandes, de 76-127 mm de diámetro.
Una alternativa menos habitual es utilizar aberturas de "orificios pequeños" (varios orificios
pequeños en lugar de uno o dos grandes). Las aperturas de agujero pequeño permiten utilizar
el mismo tamaño de broca en todo el patrón de perforación. La experiencia demuestra que
las aperturas de agujeros grandes dan resultados más fiables que las de agujeros pequeños.
Para granallar con éxito un círculo completo, el corte debe perforarse, cargarse y granallarse
Noe Merle Hevia

correctamente. Los orificios del corte se perforan muy cerca unos de otros, lo más paralelos
posible (Figura 1-6).

Figura 1-6. Perforación de barrenos.
La perforación específica en la sección de corte puede superar los 10 drm/m3. Aparte de los
grandes taladros de corte, los demástaladros del corte son del mismo tamaño que los
taladros del talud (frente). Los agujeros grandes se perforan normalmente mediante
escariado. Primero se perfora un agujero más pequeño, por ejemplo, de 45 mm de diámetro,
y luego se escaria hasta el tamaño final utilizando un adaptador piloto y una broca
escariadora. Perforar agujeros de varios metros de longitud lo más juntos posible exige una
gran precisión, pero el avanzado diseño de la pluma y las funciones automatizadas de los
modernos jumbos de perforación lo hacen bastante fácil. El corte paralelo es especialmente
adecuado para los modernos equipos mecanizados de excavación de túneles. Este tipo de
corte también ha hecho que las rondas largas sean habituales en los túneles pequeños. Una
versión anterior del corte paralelo es el "corte quemado", que no utiliza barrenos sin carga,
sino una carga muy potente para quemar la roca. Hoy en día, el corte paralelo ha sustituido
al corte de quemado.

INTRODUCCIÓN
37

Una vez producida la voladura, se necesita esperar el tiempo necesario para proceder con las
labores de retirada del escombro en las condiciones de seguridad que son necesarias según
la normativa de diseño. Este tiempo dependerá en gran medida del sistema de ventilación
usado en la obra.

5. Retirada del escombro.

Un sistema eficiente de transporte y extracción del material producto de la excavación
reduce el tiempo de los ciclos de construcción y por consiguiente el costo del túnel. Una
excavación subterránea normalmente dispone de poco espacio y además el acceso al frente
de excavación es muy restringido. Es fundamentalmente retirar el escombro rápidamente
para que pueda iniciarse la implementación del sostenimiento [27].
El sistema y el equipo que emplear dependen de la cantidad de material a transportar por
ciclo de excavación y de la longitud del transporte.
El equipo de retiro de material es principalmente con maquinaria sobre neumáticos y
camiones; sin descartar la utilización de vagones, rieles y bandas de transportación, lo cual
depende de la longitud del túnel.
Los equipos de desescombro que existen en el mercado son muy variados, sin embargo, los
más empleados son los que van montados sobre vía o sobre neumáticos.
El transporte que corre sobre rieles tiene la ventaja de dar un rendimiento superior en
relación con la sección del túnel, ya que los vagones guiados sobre rieles pueden ocupar una
mayor parte de la sección. Se pueden organizar además grandes trenes para evacuar de un
solo viaje, la rezaga de la voladura y a velocidades apreciables.
Por otro lado, el transporte sobre neumáticos se adapta mejor a las pendientes, es más
flexible y se utiliza, sobre todo en túneles de gran sección, como los túneles de carretera.
Para realizar un transporte rentable y eficaz es indispensable construir caminos hacia el
frente de excavación y mantenerlos libres de obstáculos para que los vehículos operen con
las velocidades habituales e impedir el deterioro de los neumáticos.
El constructor deberá evaluar el sistema de retirada del material producto de la excavación
que más convenga para cada proyecto en particular, tomando en cuenta tamaño de la
sección del túnel, longitud, tipo de material, método de excavación, pendientes, bancos de
tiro, etc.

Noe Merle Hevia

Los equipos más usados para carga y retirada del material son:
 Pala Excavadora: una máquina autopropulsada, sobre neumáticos u orugas, con
una estructura capaz de girar al menos 360º (en un sentido y en otro, y de forma
ininterrumpida) que excava terrenos, o carga, eleva, gira y descarga materiales por
la acción de la cuchara, fijada a un conjunto formada por pluma y brazo o
balancín, sin que la estructura portante o chasis se desplace.
Existen dos tipos de excavadoras diferenciadas por el diseño del conjunto cuchara-brazo-
pluma y que condiciona la forma en que trabaja:

Figura 1-7. Retirada de escombros por medios mecánicos (A-Excavadora frontal y B-
Retroexcavadora).
 Cargador Frontal: es un equipo tractor, montado sobre ruedas, que tiene un
cucharón de gran tamaño en su extremo frontal, se utiliza para realizar trabajos de
carga. Son equipos de carga y eventualmente de acarreo; su buena movilidad le
permite moverse fuera del túnel circulando siempre con seguridad. Para agilizar las
labores de retirada de escombro, se apoyan con camiones articulados de mayor
capacidad.
INTRODUCCIÓN
39

Figura 1-8. Retirada de escombros por medios mecánicos (A-Cargador Frontal y B-Camión
Articulado).
 Cargador LHD: la característica fundamental del cargador LHD (Load-Haul-Dump:
Carga–transporte-vertido) es su diseño compacto, tanto en altura como en ancho;
cuenta con una estructura articulada, que le permite un radio de giro mínimo y por
lo tanto mejor maniobrabilidad en zonas estrechas. El principal problema es la
capacidad de carga por lo que en túneles de sección grande pueden llegar a no ser
tan productivos.

Figura 1-9. Cargador LHD.

Noe Merle Hevia

6. Saneo del frente, bóveda y hastiales.

El último de los pasos del ciclo de excavación consiste en:
 Saneo del frente del túnel: en esta actividad y mediante medios mecánicos, se
procede con la limpieza de rocas y terreno que tras la explosión se ha quedado medio
desprendida del macizo rocoso y que de no ser retirada puede provocar
desprendimientos en la zona de trabajo en el siguiente ciclo de excavación.
 Saneo de bóveda y hastiales: se realiza la misma operación de saneo realiza en el
frente, pero esta vez se realiza en la bóveda y los hastiales del avance del túnel para
eliminar los elementos inestables.

En el siguiente esquema se puede ver las zonas sobre las que se realiza el saneo (Figura 1-10):

Figura 1-10. Saneo del Túnel.

INTRODUCCIÓN
41

1.3 Estado del Arte
Los gases tóxicos se producen cuando se utiliza el método de perforación y voladura para
excavar infraestructuras subterráneas. Los gases nocivos liberados inmediatamente después
de la voladura son principalmente monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx)
[28]. Estos gases nocivos son el resultado de la reacción química que se produce entre los
compuestos base de los mismos como son el agua (H20), dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno
(N2).
La cantidad de gases tóxicos producidos por un explosivo se ve afectada por la formulación,
el confinamiento, la edad del explosivo y la contaminación del explosivo con agua o recortes
de perforación, entre otros como se verá posteriormente en esta Tesis.
El volumen de dichos gases nocivos podría ser reducido minimizando la cantidad de gases
producidos con relación a la mezcla estequiometria de combustible y oxidante que tenga el
explosivo.
Esto quiere decir que, con un exceso de combustible, la detonación del explosivo generará
mayores cantidades de CO mientras que en caso de deficiencia de combustible, generará
mayores cantidades de NOX. En las siguientes figuras, se ilustran el efecto del contenido de
fuel-oil del ANFO (Ammonium Nitrate - Fuel Oil) en la producción de CO y NOx. Por lo tanto,
los fabricantes de explosivos tienen cuidado de equilibrar el oxidante y el combustible en sus
formulaciones de explosivos para minimizar la producción de gases mientras que los
dinamiteros deben asegurarse de que las composiciones de los explosivos y agentes de
voladura mezclados en el campo sean las adecuadas. El rendimiento de los explosivos
modernos está controlado tanto por la composición como por la estructura física de la mezcla
química. No deben utilizarse explosivos que hayan superado la vida útil recomendada por el
fabricante o que estén visiblemente deteriorados. A medida que algunos explosivos
envejecen, los ingredientes pueden salirse del envase, cambiando