Umfassende Verbesserung der Sprengleistung und Staubunterdrückung im Tagebau durch ein modifiziertes Mergel–Flugasche-Geopolymer-Stemmingmaterial

Saubereres Sprengen für große Tagebaue

Tagebaue für Kohle sind für die Energieversorgung wichtig, aber jeder Sprengstoß, der Gestein zerbricht, wirbelt auch große Staubwolken auf — besonders in trockenen, windigen Graslandgebieten. Dieser Staub schädigt die Lungen der Beschäftigten, führt zu erhöhtem Verschleiß an Maschinen und treibt weit über die Mine hinaus, sodass auch umliegende Ökosysteme betroffen sind. Die vorliegende Studie untersucht einen neuen Ansatz, der Staub direkt an der Quelle beim Sprengen bekämpft und gleichzeitig jede Explosion effizienter macht, indem lokaler Bergbauabfall in einen intelligenten, schnell erhärtenden Pfropfen im Sprenglöcher verwandelt wird.

Staubproblematik im Tagebau

Mit dem Anstieg der Tagebau-Kohlegewinnung in China haben auch die Umweltbelastungen in den nördlichen Grasländern zugenommen. Tagebaue sind weit und tief, die Sommer sind heiß und trocken und starke Winde transportieren feine Partikel leicht. Unter diesen Bedingungen sind Staubemissionen durch Sprengungen und durch aufgewühlte Gesteinsflächen das hauptsächliche Luftqualitätsproblem. Viele Betriebe setzen nach dem Sprengen auf Wassernebel oder chemische Lösungsmittel, um Staub zu binden, doch Wasser ist knapp, Besprühung teuer und die Wirkung lässt schnell nach, sobald Flächen wieder austrocknen oder gestört werden. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass Staubkontrolle und effizientes Sprengen als ein verbundenes Problem betrachtet werden sollten, das maßgeblich davon abhängt, wie gut die Sprenglöcher abgedichtet sind.

Verwandlung von Abraum in einen nützlichen Pfropfen

Die Forschenden entwickelten ein neues Stemmingmaterial — den Pfropfen, der die Oberseite eines Sprenglochs verschließt — aus Mergel-Bohrgut und Flugasche, zwei weit verbreiteten festen Abfällen. Diese Pulver werden mit einer stark alkalischen Flüssigmischung aus Wasserglas und Natriumhydroxid sowie einem chemischen Beschleuniger vermengt, sodass die Suspension gut fließt und dann in weniger als einer halben Stunde erhärtet. Im Inneren des Pfropfens bilden sich mikroskopische Gele, die sich zu einem dichten, wenig porösen Netzwerk verflechten und fest mit dem umgebenden Gestein verbinden. Durch Anpassung der Beschleuniger- und Flüssigkeitsmenge fand das Team eine Rezeptur, die leichtes Pumpen, schnelles Abbinden und ein starkes, leicht flexibles Verhalten bei Sprengbelastung ausbalanciert.

Wie der neue Pfropfen eine Explosion bewältigt

Um das Verhalten des Materials unter realen sprengähnlichen Bedingungen zu prüfen, führten die Forschenden sowohl physische als auch numerische Experimente durch. Labortests, darunter Hochgeschwindigkeits-Impaktversuche, zeigten, dass der Geopolymer-Pfropfen zäher ist als natürlicher Mergel: Statt zu zersplittern, neigt er zu kontrollierten, „quasi-duktilen“ Rissen und nimmt Energie auf, ohne auseinanderzufliegen. Mikroskopie- und Röntgenanalysen offenbarten, dass verzahnte Calcium‑silicat- und Calcium‑aluminium‑silicat‑Gele Poren füllen und Partikel binden und so eine kompakte, widerstandsfähige Mikrostruktur erzeugen. Computersimulationen ganzer Bänke im Tagebau, die eine teilchenbasierte Methode zur Nachverfolgung von Explosivgasen und Gesteinsbewegungen nutzten, zeigten: Ist der Geopolymerpfropfen zu kurz, entweicht Gas früh und Energie schießt nach oben; ist er zu lang, wird Energie eingeschlossen und das Gestein bricht schlecht. Eine mittlere Pfropflänge — in ihrem Fall etwa 2,5 Meter — sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung von Rissen im Gesteinskörper.

Feldversuche in einem aktiven Tagebau

Der echte Prüfstand war ein in Betrieb befindlicher Tagebau. Die Forschenden verglichen konventionelles Mergel-Stemming mit ihrem neuen Mergel–Flugasche-Geopolymer in Gruppen zu je 20 Sprenglöchern. Drohnen mit Staubsensoren flogen durch die Sprengwolken, während Bodengeräte Vibrationen und Korngrößen des zertrümmerten Gesteins erfassten. An Stellen mit dem neuen Pfropfen sanken die Spitzenwerte der Staubkonzentration um etwa 40 Prozent. In der Bruchhalde fanden sich weniger übermäßig feine Partikel und weniger sehr große Felsbrocken; dafür mehr Material im mittleren Größenspektrum, das sich leichter und günstiger verladen und zerkleinern lässt. Die Erschütterungen am Boden in der Nähe des Sprengortes waren leicht reduziert, und da jeder Sprengstoß effizienter arbeitete, konnte die Mine bei gleicher Fördermenge weniger Sprenglöcher einsetzen.

Ein grünerer Weg für das Sprengen im Tagebau

Für Nicht-Fachleute lautet die Kernbotschaft: Dieser neue Pfropfen verwandelt einen lokalen Abfall — Mergel-Bohrgut — in eine schnell härtende, dauerhafte Dichtung, die jede Sprengung sauberer bricht und deutlich weniger Staub in die Luft schleudert. Indem die explosive Energie lange genug gebunden bleibt, um sinnvoll im Gestein zu wirken, reduziert das Geopolymer‑Stemming den Staub bereits im Entstehungsmoment, anstatt ihn nachträglich mit Wasser zu bekämpfen. Das macht das Sprengen sicherer für Beschäftigte, schonender für Nachbargemeinden und Ökosysteme und effizienter für Betreiber — ein praktischer Schritt hin zu saubererem, umweltfreundlicherem Tagebau.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: tagebau-kohlegewinnung, staubunterdrückung, geopolymer-stemming, sprengoptimierung, verwertung fester abfälle