岩体中爆腔内压力脉动特征和爆炸能量分布的数值模拟

分析了对岩体中爆炸能量分布和爆腔内压力研究的现状, 为进行这方面的研究, 在块体离散元基础上独立开发了可变形多尺度计算模型和爆源模型, 改进后的数值模型适合研究爆源近区的爆炸效应. 通过该模型对岩体中爆腔内压力和爆炸能量分布进行了数值模拟, 分析了爆腔内压力脉动特征, 指出爆源近区岩体结构性质对爆腔内压力脉动规律影响不大, 爆腔内压力峰值与炸药量无关; 结合热力学和弹性力学知识分析了不同条件下爆炸能量分布规律, 研究了岩体破坏对爆炸能量分布的影响, 给出了岩石断裂破坏消耗能量、变形能、用于抛掷的能量的比例

爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断

地震波斜入射结构面时,会产生2种不同类型的透射波,引起波场极性变化.采用弹簧模型描述非充填型结构面,运用弹簧模型讨论爆破地震波在结构面的传播特性.研究结果表明,爆破地震波在结构面处的波形转换系数以及P,SV波峰值比和偏振角的变化规律均能有效反映结构面刚度和入射角变化.结合现场试验方案,提出计算P,SV波峰值比和偏振角的方法,建立偏振角与入射角和结构面透射系数的关系;由现场试验数据得到空间各测点的P,SV波峰值比和偏振角的变化规律,进而确定结构面倾角.现场试验结果表明,根据各测点的P,SV波峰值比和偏振角变化规律可以准确确定结构面倾角

Novel coatings for hard tissue implants

A novel deposition process named CoBlastTM, based on grit blasting technology, has been used to deposit hydroxyapatite (HA) onto titanium (Ti) metal using a dopant/abrasive regime. The various powders (HA powder, apatitic abrasives) and the treated substrates were characterised for chemical composition, coating coverage, crystallinity and topography including surface roughness. The surface roughness of the HA surfaces could be altered using apatitic abrasives of different particle sizes. Compared to the standard plasma spraying process, the CoBlast surface produced excellent coating adhesion, lower dissolution, higher levels of mechanical and chemical stability in stimulated body fluid (SBF). Enhanced viability of osteoblastic cells was also observed on the CoBlast HA surfaces compared to the microblast and untreated Ti as well as the plasma HA coating. CoBlast offers an alternative to the traditional methods of coating HA implants with added versatility. Apatites substituted with antimicrobial metals can also be deposited to add functionality to HA coatings without cytotoxicty. The potential use of these coatings as an infection preventing strategy for application on hard tissue implants was assessed in vitro and also in vivo. Surface physicochemical properties and morphology were determined in addition to surface cytocompatibility assessments using a MG-63 osteoblast cell line. The antibacterial potential of the immobilised metal ion on the surface and the eluted ion to a lesser extent, contributed to the anticolonising behaviour of the surfaces against a standard bacteria strain (S. aureus) as well as a number of clinically relevant strains (MRSA, MSSA and S. epidermis). The results revealed that the surfaces coated with silver substituted apatites (AgA) outperformed the other apatites examined (apatites loaded with Zn, Sr and both Ag and Sr ions). Assessment of bacterial adherence on coated K-wires following subcutaneous implantation in a nude mouse infection model (S. aureus) for two days demonstrated that the 12% wt surface outperformed the 5% wt AgA coating. Lower inflammatory responses were activated with the insertion of the Ag loaded K-wires with a localised infection at the implantation site noted over the two day study period. These results indicated that the AgA coating on the surface of orthopaedic implants demonstrate good biocompatibility whilst inhibiting bacterial adhesion and colonising of the implant surface.

Impacts of Mountaintop Removal Coal Mining on the Mud River, West Virginia: Selenium Accumulation, Trophic Transfer, and Toxicity in Fish

Selenium (Se) is a micronutrient necessary for the function of a variety of important enzymes; Se also exhibits a narrow range in concentrations between essentiality and toxicity. Oviparous vertebrates such as birds and fish are especially sensitive to Se toxicity, which causes reproductive impairment and defects in embryo development. Selenium occurs naturally in the Earth's crust, but it can be mobilized by a variety of anthropogenic activities, including agricultural practices, coal burning, and mining.

Mountaintop removal/valley fill (MTR/VF) coal mining is a form of surface mining found throughout central Appalachia in the United States that involves blasting off the tops of mountains to access underlying coal seams. Spoil rock from the mountain is placed into adjacent valleys, forming valley fills, which bury stream headwaters and negatively impact surface water quality. This research focused on the biological impacts of Se leached from MTR/VF coal mining operations located around the Mud River, West Virginia.

In order to assess the status of Se in a lotic (flowing) system such as the Mud River, surface water, insects, and fish samples including creek chub (Semotilus atromaculatus) and green sunfish (Lepomis cyanellus) were collected from a mining impacted site as well as from a reference site not impacted by mining. Analysis of samples from the mined site showed increased conductivity and Se in the surface waters compared to the reference site in addition to increased concentrations of Se in insects and fish. Histological analysis of mined site fish gills showed a lack of normal parasites, suggesting parasite populations may be disrupted due to poor water quality. X-ray absorption near edge spectroscopy techniques were used to determine the speciation of Se in insect and creek chub samples. Insects contained approximately 40-50% inorganic Se (selenate and selenite) and 50-60% organic Se (Se-methionine and Se-cystine) while fish tissues contained lower proportions of inorganic Se than insects, instead having higher proportions of organic Se in the forms of methyl-Se-cysteine, Se-cystine, and Se-methionine.

Otoliths, calcified inner ear structures, were also collected from Mud River creek chubs and green sunfish and analyzed for Se content using laser ablation inductively couple mass spectrometry (LA-ICP-MS). Significant differences were found between the two species of fish, based on the concentrations of otolith Se. Green sunfish otoliths from all sites contained background or low concentrations of otolith Se (< 1 µg/g) that were not significantly different between mined and unmined sites. In contrast creek chub otoliths from the historically mined site contained much higher (≥ 5 µg/g, up to approximately 68 µg/g) concentrations of Se than for the same species in the unmined site or for the green sunfish. Otolith Se concentrations were related to muscle Se concentrations for creek chubs (R2 = 0.54, p = 0.0002 for the last 20% of the otolith Se versus muscle Se) while no relationship was observed for green sunfish.

Additional experiments using biofilms grown in the Mud River showed increased Se in mined site biofilms compared to the reference site. When we fed fathead minnows (Pimephales promelas) on these biofilms in the laboratory they accumulated higher concentrations of Se in liver and ovary tissues compared to fathead minnows fed on reference site biofilms. No differences in Se accumulation were found in muscle from either treatment group. Biofilms were also centrifuged and separated into filamentous green algae and the remaining diatom fraction. The majority of Se was found in the diatom fraction with only about 1/3rd of total biofilm Se concentration present in the filamentous green algae fraction

Finally, zebrafish (Danio rerio) embryos were exposed to aqueous Se in the form of selenate, selenite, and L-selenomethionine in an attempt to determine if oxidative stress plays a role in selenium embryo toxicity. Selenate and selenite exposure did not induce embryo deformities (lordosis and craniofacial malformation). L-selenomethionine, however, induced significantly higher deformity rates at 100 µg/L compared to controls. Antioxidant rescue of L-selenomethionime induced deformities was attempted in embryos using N-acetylcysteine (NAC). Pretreatment with NAC significantly reduced deformities in the zebrafish embryos secondarily treated with L-selenomethionine, suggesting that oxidative stress may play a role in Se toxicity. Selenite exposure also induced a 6.6-fold increase in glutathione-S-transferase pi class 2 gene expression, which is involved in xenobiotic transformation. No changes in gene expression were observed for selenate or L-selenomethionine-exposed embryos.

The findings in this dissertation contribute to the understanding of how Se bioaccumulates in a lotic system and is transferred through a simulated foodweb in addition to further exploring oxidative stress as a potential mechanism for Se-induced embryo toxicity. Future studies should continue to pursue the role of oxidative stress and other mechanisms in Se toxicity and the biotransformation of Se in aquatic ecosystems.

Qualidade e optimização do desmonte de maciços rochosos em geotecnia mineira

A perfuração é uma das operações envolvidas no desmonte de rocha com explosivos. A forma como esta operação é executada é determinante para o sucesso do desmonte. Quando é realizada correctamente o desmonte produz superfícies limpas com o mínimo de sobrescavação e perturbação. A selecção das ferramentas de perfuração é um dos factores preponderantes para os custos do desmonte de maciços rochosos. O objectivo deste trabalho é demonstrar a interdependência entre os parâmetros petrofísicos, geotécnicos e geomecânicos do maciço rochoso e as tecnologias de perfuração de forma a optimizar tanto técnica como economicamente. A forma como a perfuração é executada é determinante para a boa fragmentação do maciço rochoso. Este estudo irá centrar-se na perfurabilidade do maciço, linearidade dos furos, rendimento e desgaste das ferramentas de perfuração e desenvolvimento de metodologias do ciclo de perfuração. Neste trabalho, discute-se a importância de uma abordagem integrativa para fins de geoengenhara mineira em que foi aplicada a técnica de amostragem linear em superfícies expostas do maciço num ambiente de uma exploração granítica. As áreas seleccionadas para este estudo — Pedreira de Serdedelo (Ribeira, Ponte de Lima) e pedreira do Fojo (Ferreira, Paredes de Coura), NW de Portugal — estão situadas nas proximidades de falhas geológicas regionais. Em todo os casos de estudo foram desenvolvidos numa plataforma SIG usando as seguintes ferramentas: cartografia geo-aplicada, técnicas de geologia estrutural, da geotecnia e da geomecânica mineiras e avaliação de geotecnologias. Esta abordagem leva-nos a compreender a relevância da heterogeneidade do maciço rochoso para o dimensionamento da exploração a diferentes escalas. O controlo geomecânico do desmonte do maciço rochoso através de uma perfuração alinhada é salientado com o intuito de uma abordagem de geoengenharia integrada nos maciços rochosos.

Multilayered micro/nanocrystalline CVD diamond coatings for biotribology

In the present work multilayered micro/nanocrystalline (MCD/NCD) diamond coatings were developed by Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD). The aim was to minimize the surface roughness with a top NCD layer, to maximize adhesion onto the Si3N4 ceramic substrates with a starting MCD coating and to improve the mechanical resistance by the presence of MCD/NCD interfaces in these composite coatings. This set of features assures high wear resistance and low friction coefficients which, combined to diamond biocompatibility, set this material as ideal for biotribological applications. The deposition parameters of MCD were optimized using the Taguchi method, and two varieties of NCD were used: NCD-1, grown in a methane rich gas phase, and NCD-2 where a third gas, Argon, was added to the gas mixture. The best combination of surface pre-treatments in the Si3N4 substrates is obtained by polishing the substrates with a 15 μm diamond slurry, further dry etching with CF4 plasma for 10 minutes and final ultrasonic seeding in a diamond powder suspension in ethanol for 1 hour. The interfaces of the multilayered CVD diamond films were characterized with high detail using HRTEM, STEM-EDX and EELS. The results show that at the transition from MCD to NCD a thin precursor graphitic film is formed. On the contrary, the transition of the NCD to MCD grade is free of carbon structures other than diamond, as a result of the richer atomic hydrogen content and of the higher substrate temperature for MCD deposition. At those transitions, WC nanoparticles were found due to contamination from the filament, being also present at the first interface of the MCD layer with the silicon nitride substrate. In order to study the adhesion and mechanical resistance of the diamond coatings, indentation and particle jet blasting tests were conducted, as well as tribological experiments with homologous pairs. Indentation tests proved the superior behaviour of the multilayered coatings that attained a load of 800 N without delamination, when compared to the mono and bilayered ones. The multilayered diamond coatings also reveal the best solid particle erosion resistance, due to the MCD/NCD interfaces that act as crack deflectors. These results were confirmed by an analytical model on the stress field distribution based on the von Mises criterion. Regarding the tribological testing under dry sliding, multilayered coatings also exhibit the highest critical load values (200N for Multilayers with NCD-2). Low friction coefficient values in the range μ=0.02- 0.09 and wear coefficient values in the order of ~10-7 mm3 N-1 m-1 were obtained for the ball and flat specimens indicating a mild wear regime. Under lubrication with physiological fluids (HBSS e FBS), lower wear coefficient values ~10-9-10-8 mm3 N-1 m-1) were achieved, governed by the initial surface roughness and the effective contact pressure.

Qualidade da fragmentação no desmonte de rocha: análise preliminar

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Abordagem prática para execução de taludes em obras rodoviárias com recurso a pré‐corte

Este trabalho é realizado no domínio das obras de engenharia, área onde o desmonte de rocha com recurso a explosivos em obras rodoviárias é uma actividade específica e consistiu no acompanhamento e execução de três obras rodoviárias de média e grande dimensão. A necessidade de executar escavações, recorrendo a técnicas de desmonte cuidadoso de contorno, onde o plano de corte do talude final deve obedecer a requisitos de localização, alinhamento, inclinação, estabilidade e também estéticos, acrescendo a isto a necessidade de optimizar os meios envolvidos, obriga a que esta actividade seja encarada de uma forma sistematizada, visando o racional aproveitamento de recursos. A execução desta actividade requer conhecimentos no domínio das técnicas de desmonte de contorno, dos explosivos, do mecanismo de rotura de rochas, da operação de perfuração e da geomecânica dos maciços. A abordagem deste trabalho incide sobre a técnica denominada de pré‐corte e tem como objectivo encontrar uma equação característica que permita relacionar diferentes parâmetros envolvidos nesta actividade. Este objectivo é alcançado recorrendo à correlação entre equações relativas à pressão de detonação, à pressão no furo e ao espaçamento entre furos consecutivos, desenvolvidas por outros autores. Desta forma obteve‐se uma equação que relaciona parâmetros relativos ao maciço rochoso (resistência à tracção), ao explosivo (velocidade de detonação e densidade) e ao diagrama de fogo (concentração de carga – volume de explosivo e comprimento do furo – volume do furo). A comparação entre os valores destes parâmetros obtidos na produção e os obtidos com recurso à equação característica permite concluir que a sua aplicação para execução de futuras obras possibilita uma optimização dos meios envolvidos.

Avaliação geológica e geotécnica do maciço da Pedreira de S. Domingos n.º 2 (Armamar)

Neste trabalho, apresentam-se e discutem-se os resultados da aplicação da técnica de amostragem linear de descontinuidades em faces expostas do maciço rochoso da pedreira granítica de S. Domingos Nº 2 (Fontelo, Armamar; N de Portugal). É, igualmente, utilizada informação sobre a rede de fracturação regional, obtida através da análise morfoestrutural de mapas topográficos e mapas geológicos. São ainda referidos os métodos utilizados no tratamento dos dados de terreno com o objectivo de definir as famílias de descontinuidades e de caracterizar estatísticamente a sua atitude, espaçamento e extensão. Os resultados obtidos são comparados, à mega escala e macro-escala, no sentido de averiguar a presença de um padrão de fracturação com dimensão multiescala. Esta abordagem foi refinada através da aplicação de Sistemas de Informação Geográfica. A aplicação desta técnica para a caracterização da compartimentação do maciço poderá contribuir para aperfeiçoar a gestão sustentável do georrecurso da pedreira de S. Domingos Nº 2 (Fontelo). O controlo geomecânico do desmonte do maciço rochoso é salientado com o intuito de uma abordagem de geo-engenharia integrada dos maciços rochosos.

Desmonte de rocha com explosivos: importância da optimização

Este trabalho pretende avaliar e melhorar o modo de execução da aplicação da técnica de rebentamento com explosivos, aumentando a fragmentação e reduzindo o custo no conjunto das operações de perfuração, carga, detonação e fragmentação secundária e compreender a influência na variação do custo das operações face às melhorias adoptadas. A investigação foi executada na pedreira da Mota-Engil, Engenharia S.A. ‘’ Bouça do Menino’’ Vila Verde, Cervães, tendo os dados iniciais sido recolhidos em 2004 (ano de referência) e comparados com os seguintes 4 anos. A perfuração é geralmente um dos principais factores que influenciam o resultado de um rebentamento, já que do seu rigor pode depender a eficiência do explosivo. Hoje em dia, para além da adequação dos métodos de execução ao local a fragmentar, existem ferramentas que nos permitem visualizar com rigor as circunstâncias em que se desenvolvem os trabalhos, nomeadamente as utilizadas pelos equipamentos de perfuração para controlo de profundidade, inclinação e direcção, a utilização de feixes ‘’laser’’ que nos permitem manter o nivelamento das plataformas, o ‘’laser’’ profile que nos ajuda a definir o posicionamento e inclinação dos furos relativamente à frente livre antes de executar a perfuração, ou ainda, a utilização de equipamentos de registo de coordenadas que nos permitem verificar o posicionamento do furo após a sua execução e decidir sobre a sua utilização mais correcta em função da sua posição. A utilização destas ferramentas associadas a um ‘’software’’ de desenho é ainda uma excelente ferramenta de formação para os operadores da perfuração e utilização dos explosivos, já que permite visualizar e compreender a relação da posição dos furos com o resultado do rebentamento.

Estudo da influência da carga específica na fragmentação de rocha granítica no desmonte em bancada

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Influência dos parâmetros geotécnicos na qualidade do desmonte de maciços rochosos fracturados

Uma das operações envolvidas no desmonte de maciços rochosos é a perfuração. A forma como esta é executada é determinante para o sucesso do desmonte. Quando realizada correctamente o desmonte produz uma boa fragmentação, reduzindo a sobrescavação. Assim, a correcta escolha das ferramentas de perfuração assume um papel preponderante para os custos do desmonte em maciço rochosos. Esta dissertação irá centrar-se nos parâmetros Geológicos, Geotécnicos e Geomecânicos e nos desvios de perfuração. O objectivo geral deste trabalho é perceber a interdependência dos parâmetros geológicogeotécnicos e geomecânicos do maciço rochoso com os desvios de perfuração, bem como estudar os ângulos de intersecção entre os furos e as descontinuidades que originam o desvio. O estudo dos parâmetros do maciço rochoso aliado a uma perfuração alinhada é salientado com o intuito de uma abordagem de geoengenharia integrada dos maciços rochosos.

Optimização do processo de perfuração em maciços rochosos: consequências técnico-económicas

Este estudo centra-se na temática da perfuração de maciços rochosos. A perfuração, dependendo do seu objectivo, diâmetro e comprimento, tem um vasto leque de aplicações incluindo a perfuração para o desmonte com explosivos e colocação de elementos de contenção. Este estudo esta focado na perfuração, tendo normalmente um papel preponderante no rendimento dos ciclos de trabalho em que esta inserida. O processo de perfuração implica uma estreita interacção das ferramentas de perfuração com maciço rochoso a perfurar, como tal um conhecimento rigoroso dos parâmetros geológicos, geotécnicos, geomecânicos do maciço rochoso e preponderante para auxiliar a gestão, do ponto de vista técnico-económico, da operação de perfuração. Este estudo tem como principal objectivo a optimização técnico-económica desta operação através da introdução de processos baseados nas boas práticas de engenharia na perfuração de maciços rochosos, nomeadamente a definição e introdução do processo de afiação dos bits no ciclo de perfuração. Na caracterização do maciço rochoso, para além da pesquisa e recolha bibliográfica pretende-se recorrer a ensaios ”in situ” e laboratoriais que permitam obter informacao útil para a avaliação da perfurabilidade e abrasividade do maciço rochoso.

A influência das características geomecânicas dos maciços fracturados no desvio da perfuração

A perfuração é uma das operações envolvidas no desmonte de rocha com explosivos. A forma como esta operação é executada é determinante para o sucesso do desmonte. Quando é realizada correctamente o desmonte produz superfícies limpas com o mínimo de sobrescavação e perturbação. A selecção das ferramentas de perfuração é um dos factores preponderantes para os custos do desmonte de maciços rochosos. A forma como a perfuração é executada é determinante para a boa fragmentação do maciço rochoso. Este estudo irá centrar‐se na perfurabilidade do maciço, linearidade dos furos e desenvolvimento de metodologias do ciclo de perfuração. O objectivo geral deste trabalho é demonstrar a interdependência entre os parâmetros geológicos e geotécnicos do maciço rochoso e as tecnologias de perfuração de forma a optimizar tanto técnica como economicamente. O controlo geomecânico do desmonte do maciço rochoso através de uma perfuração alinhada é salientado com o intuito de uma abordagem de geoengenharia integrada nos maciços rochosos.

Desmonte de Maciços Rochosos: optimização da perfuração

Este trabalho pretende avaliar e melhorar o modo de execução da aplicação da técnica de perfuração, não comprometendo a jusante, no ciclo de operações, a qualidade do desmonte, visando assim, uma optimização técnico-económica. Este manuscrito irá centrar-se na optimização da etapa da perfuração, visando assim a optimização do ciclo total da perfuração. As tarefas realizadas numa pedreira constituem um ciclo de operações. Uma das operações envolvidas no desmonte de maciços rochosos é a perfuração. A forma como esta é executada é determinante para o sucesso do desmonte. O correcto dimensionamento dos acessórios de perfuração, afiação de bits, manutenção preventiva dos equipamentos de perfuração e a constante formação dos operadores fazem parte de um conjunto de acções que irão determinar o sucesso da operação de perfuração, tendo sempre em vista, uma optimização técnico-económica, ou seja, produzir mais a um custo mais baixo. O estudo dos parâmetros do maciço rochoso aliado a uma perfuração cuidadosa e alinhada é evidenciado com o intuito de uma abordagem de geoengenharia integrada dos maciços rochosos. O estudo foi realizado na pedreira da APS, S.A. (Pedreira de Monte Chãos), tendo como análise os dados desde o início do projecto até à data. Para fundamentar este estudo, aborda-se os parâmetros geológico-geotécnicos e geomecânicos do maciço remanescente, verificando assim as ferramentas de corte mais adequadas ao caso e averiguar a influência da afiação de bits, quer seja manual ou semiautomática, e de que forma a mesma irá influenciar nos rendimentos e vidas úteis obtidas, tendo como objectivo, melhorar o custo por metro de furação realizado.