Mejora integral del rendimiento de la voladura y supresión del polvo en minas a cielo abierto mediante un material de taponamiento geopolimérico modificado de lutita–ceniza volante

Voladuras más limpias para grandes minas

Las minas de carbón a cielo abierto son esenciales para la energía, pero cada voladura que fractura la roca también levanta enormes nubes de polvo, especialmente en regiones esteparias secas y ventosas. Ese polvo daña los pulmones de los trabajadores, desgasta la maquinaria y se desplaza lejos de la mina, afectando a los ecosistemas cercanos. Este estudio explora una nueva forma de abordar el polvo en su origen durante la voladura, al tiempo que mejora la eficacia de cada explosión, convirtiendo residuos mineros locales en un tapón inteligente que fragua rápidamente dentro de los taladros de carga.

Problemas de polvo en la minería a cielo abierto

A medida que ha crecido la producción de carbón a cielo abierto en China, también han aumentado las presiones ambientales en sus estepas del norte. Las canteras son anchas y profundas, los veranos son calurosos y secos, y los vientos fuertes transportan fácilmente partículas finas. En estas condiciones, el polvo procedente de las voladuras y de las superficies rocosas alteradas es el principal problema de calidad del aire. Las minas suelen recurrir a rociar agua o soluciones químicas para abatir el polvo tras una voladura, pero el agua escasea, el riego es costoso y el efecto desaparece rápidamente al secarse o volver a alterarse las superficies. Los autores sostienen que el control del polvo y una buena voladura deben abordarse como un problema combinado, gobernado por la eficacia del sellado de los taladros.

Convertir la roca residual en un tapón útil

Los investigadores desarrollaron un nuevo material de “taponamiento”: el tapón que sella la parte superior de un taladro de voladura, elaborado a partir de recortes de lutita y ceniza volante, ambos residuos sólidos habituales. Mezclan estos polvos con una solución fuertemente alcalina de vidrio soluble y hidróxido de sodio más un acelerador químico para que la lechada fluya con facilidad y fragüe en menos de media hora. Dentro del tapón se forman gels microscópicos que se entrelazan formando una red densa y de baja porosidad que se adhiere firmemente a la roca circundante. Ajustando la cantidad de acelerador y de líquido, el equipo encontró una receta que equilibra un bombeo sencillo con un fraguado rápido y un comportamiento fuerte y ligeramente flexible cuando recibe el impacto de la voladura.

Cómo afronta el tapón la explosión

Para ver cómo se comporta este nuevo material en condiciones similares a las de una voladura real, el equipo realizó experimentos físicos y simulaciones por computador. Las pruebas de laboratorio, incluidos ensayos de impacto a alta velocidad, mostraron que el tapón geopolimérico es más resistente que la lutita natural: en lugar de fragmentarse, tiende a fisurarse de forma controlada, “cuasi-ductil”, absorbiendo energía sin desintegrarse. Microscopia y análisis por rayos X revelaron que gels entrelazados de calcio–silicato y calcio–aluminio–silicato rellenan poros y aglutinan partículas, creando una microestructura compacta y resiliente. Las simulaciones informáticas de bancadas enteras de la mina, empleando un método basado en partículas para seguir los gases explosivos y el movimiento de la roca, mostraron que si el tapón geopolimérico es demasiado corto, el gas se ventila pronto y la energía se dirige hacia arriba; si es demasiado largo, la energía queda atrapada y la roca se fractura mal. Una longitud intermedia del tapón, en su caso alrededor de 2,5 metros, proporciona una distribución más uniforme de las fracturas en la masa rocosa.

Ensayos en campo en una mina operativa

La prueba real se llevó a cabo en una mina de carbón a cielo abierto en operación. Los investigadores compararon el taponamiento convencional de lutita con su nuevo geopolymer de lutita–ceniza volante en conjuntos de 20 taladros de cada tipo. Drones equipados con sensores de polvo volaron a través de las plumas de la voladura, mientras instrumentos en tierra monitorizaron la vibración y el tamaño del material fragmentado. Donde se usó el nuevo tapón, los niveles máximos de polvo se redujeron en aproximadamente un 40 por ciento. El montón de material volado contenía menos partículas excesivamente finas y menos bloques muy grandes, con más material en un rango de tamaño medio que resulta más fácil y barato de transportar y triturar. La vibración del terreno cerca de la voladura se redujo ligeramente, y dado que cada voladura fue más eficiente, la mina pudo usar menos taladros para mover la misma cantidad de roca.

Un camino más verde para las voladuras mineras

Para el público no especializado, el mensaje clave es que este nuevo tapón convierte un residuo local —los recortes de lutita— en un sellado de fraguado rápido y duradero que ayuda a que cada voladura fragmente la roca de forma más limpia y arroje mucho menos polvo al aire. Al mantener la energía explosiva confinada el tiempo necesario para realizar trabajo útil en la roca, el material de taponamiento geopolimérico reduce el polvo en el momento de su generación en lugar de intentar controlarlo después con agua. Esto hace que las voladuras sean más seguras para los trabajadores, menos perjudiciales para las comunidades y ecosistemas cercanos, y más eficientes para los operadores mineros, ofreciendo un paso práctico hacia una minería a cielo abierto más limpia y sostenible.

Cita: 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

Palabras clave: minería de carbón a cielo abierto, supresión del polvo, taponamiento geopolimérico, optimización de la voladura, utilización de residuos sólidos