تحسين شامل لأداء التفجير وكبح الغبار في المناجم المفتوحة باستخدام مادة سد جيو بوليمر مُعدَّلة من الطين الطمي ورماد الفحم

تفجيرات أنظف للمناجم الكبيرة

تعد مناجم الفحم المفتوحة ضرورية للطاقة، لكن كل تفجير يكسر الصخور يطلق أيضًا سحبًا هائلة من الغبار في الهواء، لا سيما في المناطق العشبية الجافة والريحية. هذا الغبار يضر برئات العمال، ويتلف الآلات، وينتشر بعيدًا عن المنجم ليؤثر على النظم البيئية المجاورة. تبحث هذه الدراسة في طريقة جديدة لمعالجة الغبار من مصدره أثناء التفجير، مع تحسين كفاءة كل انفجار، عبر تحويل نفايات التعدين المحلية إلى سد ذكي يتصلب سريعًا داخل ثقوب التفجير.

مشاكل الغبار في التعدين المفتوح

مع تزايد إنتاج الفحم في المناجم المفتوحة في الصين، ازدادت الضغوط البيئية في سهولها الشمالية العشبية. المحاجر المفتوحة واسعة وعميقة، والصيف حار وجاف، والرياح القوية تنقل الجسيمات الدقيقة بسهولة. في هذه الظروف، يُعد الغبار الناتج عن التفجير وعن الأسطح الصخرية المزعزعة المشكلة الرئيسية لجودة الهواء. غالبًا ما تعتمد المناجم على رش الماء أو محاليل كيميائية لتقليل الغبار بعد التفجير، لكن الماء نادر، والرش مكلف، وتأثيره يتلاشى بسرعة مع جفاف أو ازعاج السطوح مرة أخرى. يجادل المؤلفون بأن التحكم في الغبار والتفجير الجيد يجب معالجتهما كمشكلة واحدة مرتبطة بكفاءة إغلاق ثقوب التفجير.

تحويل صخور النفايات إلى سد مفيد

طور الباحثون مادة "السد" الجديدة — وهي القابس الذي يغلق فتحة ثقب التفجير — مصنوعة من نواتج حفر الطين الطمي ورماد الفحم، وكلاهما نفايات صلبة شائعة. يخلطون هذه المساحيق بسائل قلوي قوي مكوّن من زجاج الماء (ماء زجاجي) وهيدروكسيد الصوديوم بالإضافة إلى مسرِّع كيميائي بحيث يصبح الملاط سهل الجريان ثم يتصلب في أقل من نصف ساعة. داخل السد تتشكل جيلات مجهرية وتتقاطع لتكوّن شبكة كثيفة قليلة المسام تربط بإحكام بالصخر المحيط. من خلال ضبط كمية المسرع والسائل، وجد الفريق وصفة توازن بين سهولة الضخ وسرعة التصلب وقوة وسلوك طفيف المرونة عند التعرض لانفجار.

كيف يتعامل السد الجديد مع الانفجار

لفهم سلوك هذه المادة تحت ظروف تشبه التفجير الحقيقي، أجرى الفريق تجارب فعلية ومحاكاة حاسوبية. أظهرت اختبارات المختبر، بما في ذلك تجارب الصدمات عالية السرعة، أن سد الجيوبوليمر أكثر صلابة من الطين الطمي الطبيعي: بدلاً من التفكك، يميل إلى التشقق بطريقة محكومة "شبه لَدنة" تمتص الطاقة دون التفتت. كشفت التحليلات الميكروسكوبية والأشعة السينية أن جيلات متداخلة من سيليكات الكالسيوم وسيليكات/ألومينات الكالسيوم تملأ المسام وتربط الجسيمات، مما يخلق بنية مجهرية متكاثفة ومطيلة. أظهرت المحاكاة الحاسوبية للمقاعد الكاملة في المنجم، باستخدام طريقة معتمدة على الجسيمات لتتبع غازات المتفجرات وحركة الصخور، أنه إذا كان السد الجيوبوليمري قصيرًا جدًا، فإن الغاز يفرّ مبكرًا وتتصاعد الطاقة إلى الأعلى؛ وإذا كان طويلًا جدًا فتنحبس الطاقة وتتفتت الصخور بشكل سيئ. طول سد متوسط، نحو 2.5 متر في حالتهم، يمنح توزيعًا أكثر انتظامًا للشقوق عبر كتلة الصخور.

تجارب ميدانية في منجم عامل

الاختبار الحقيقي كان في منجم فحم مفتوح عامل. قارن الباحثون بين السد التقليدي من الطين الطمي وسد الجيوبوليمر الجديد المصنوع من الطين الطمي ورماد الفحم في مجموعات من 20 ثقب تفجير لكل منها. حلقت طائراتٍ بدون طيار مزودة بأجهزة استشعار الغبار عبر أعمدة الدخان، بينما راقبت أجهزة أرضية الاهتزاز وحجم الصخور المفتتة. حيث استُخدم السد الجديد، انخفضت ذروات مستويات الغبار بنحو 40 بالمئة. احتوى كومة المواد المفتتة على جزيئات دقيقة مفرطة أقل وعدد أقل من الصخور الكبيرة جدًا، مع المزيد من المادة في نطاق حجمي متوسط يسهل نقله وسحقه بتكلفة أقل. كما انخفض الاهتزاز الأرضي بالقرب من الانفجار قليلًا، ولأن كل تفجير كان أكثر كفاءة، تمكن المنجم من استخدام ثقوب تفجير أقل لتحريك نفس كمية الصخور.

مسار أكثر خضرة لتفجير المناجم

بالنسبة لغير المختصين، الرسالة الأساسية هي أن هذا السد الجديد يحول نفاية محلية — نواتج حفر الطين الطمي — إلى ختم يتصلب بسرعة ومتين يساعد كل تفجير على تفتيت الصخور بنظافة أكبر مع إطلاق غبار أقل بكثير في الهواء. من خلال إبقاء طاقة المتفجرات محصورة لفترة كافية لأداء عمل مفيد داخل الصخور، تقلل مادة سد الجيوبوليمر من الغبار عند لحظة نشأته بدلًا من مطاردته لاحقًا بالماء. هذا يجعل التفجير أكثر أمانًا للعمال، ألطف على المجتمعات والنظم البيئية المجاورة، وأكثر كفاءة لمشغلي المناجم، ويشكّل خطوة عملية نحو تعدين مفتوح أنظف وأكثر خضرة.

الاستشهاد: Ding, X., Wang, Y., Shi, Z. et al. Comprehensive enhancement of blasting performance and dust suppression in open-pit mines using a modified mudstone–fly ash geopolymer stemming material. Sci Rep 16, 12877 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43442-7

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم المفتوح, كبح الغبار, سد جيو بوليمر, تحسين التفجير, استخدام النفايات الصلبة