מחקר אופטימיזציה על זונאות חציבה רוחבית בשלב הרחבת קיבולת במכרות פחם פתוחים כמעט אופקיים

מדוע חשובה עיצוב מחדש של בורות פחם ענקיים

בעוד ברחבי העולם החשמל והתעשייה עדיין מסתמכים במידה רבה על פחם. בסין, מכרות פתוחים עצומים מספקים חלק ניכר מהדלק הזה, אך ככל שמפעלים אלה גדלים הם עלולים להפוך לפחות בטיחותיים, יקרים יותר ופוגעניים יותר בנוף. המאמר בוחן כיצד מכרה אחד בצפון־מזרח סין יכול לארגן מחדש את פריסתו כדי להגביר באופן בטוח את הייצור, תוך צמצום פסולת וניצול טוב יותר של הקרקע והציוד. הרעיונות המוצגים כאן רלוונטיים בכל מקום שבו מכרות שטח גדולות נדרשים להתרחב מבלי שעלותן או הסיכונים יצאו מכלל שליטה.

מבור חציבה יחיד לכיווני עבודה חכמים יותר

מכרה הפחם הפתוח באוצ'ינג צ'או-יאנג מפיק כיום כ־7 מיליון טון פחם בשנה ושואף להגיע ל־11 מיליון. המכרה מנצל שכבת פחם אחת כמעט שטוחה באמצעות תצורה מסורתית «אורכית»: חזית החציבה רציפה במתאר ישר יחסית, ומשאיות מובילות את הסלעים והעפר המפורקים להטמנות פסולת. עם העלייה בתפוקה, תצורה זו מייצרת בעיות. קו החציבה הפעיל קצר מדי, ולכן על הבור להתקדם במהירות כל שנה, מה שמעמיס על הציוד ותזמון העבודה. הטמנות הפסולת הפנימיות בתוך הבור מתמלאות, ושיפועיהן הנמוכים והמשויידים שונים מערכי התכנון, מה שמעיד על חוסר יציבות ומשאיר מעט מקום לחומר נוסף. במקביל, הרחבת הטמנות חיצוניות קשה כי היא דורשת קרקעות נוספות. המחברים טוענים שבמקום לחפור מהר יותר באותו תבנית, יש לחלק את המכרה למספר אזורי חציבה רוחביים גדולים יותר שמתאימים טוב יותר לשכבת הפחם ומפחיתים את העומס על הטמנות הפסולת.

מציאת נקודת האיזון בין אורך החזית לעלות

שאלה מרכזית היא: כמה ארוכה צריכה להיות חזית החציבה הפעילה? אם היא קצרה מדי, הבור חייב להתקדם במהירות רבה, מה שמעלה סיכוני שיפוע ודוחף משאיות לנסיעות רבות יותר מעלה ומטה. אם היא ארוכה מדי, הציוד עלול להתפזר והמרחקים להובלה בתוך הבור יתרבו, מה שמייקר גם כן. הצוות בנה מודל גיאומטרי ועלותי פשוט שמקשר בין תפוקת פחם שנתית, עובי וצפיפות שכבת הפחם, קצב ההתקדמות המותר ועובי פסולת הסלע לבין יחס הסריקה (כמה סלע יש להזיז לפר טון פחם) ולעלויות הפיצוץ, החפירה וההובלה. הם מראים כי עלות הסרת הסריקה הכוללת מתנהגת כעקומה בצורת U רדודה ככל שאורך קו העבודה גדל: קווים מאוד קצרים יקרים כי יש להזיז פסולת מקירות קצה תלולים, בעוד שקווים ארוכים מאוד מגדילים את מרחקי ההובלה. עבור היעד של 11 מיליון טון בשנה, המודל מצביע על אורך קו עבודה כלכלי בין כ־1.35 ל־2.05 קילומטר, עם נקודה מיטבית סביב 1.35 קילומטר והתקדמות שנתית של כ־400–500 מטר. טווח זה מנחה אז את רוחב כל אזור חציבה חדש.

הפיכת המכרה לצידית לשיפועים בטוחים יותר של פסולת

בהמשך חקרו המחברים מה קורה אם המכרה יוסב בהדרגה מתצורה אורכית לתצורה רוחבית, כך שהחציבה וההטמנה יתקדמו יותר בהתאם לנטיית שכבת הפחם. באמצעות תמונת פשטות של יציבות שיפוע, הם מסבירים שבתבנית הנוכחית, הטמנות הפסולת הפנימיות יושבות לרוחב הנטייה של שכבות הסלע התחתונות. גאומטריה זו נוטה להגדיל את המרכיב הירידתי שמשפיע על החלקה ולקצר את נתיב החלקה הפוטנציאלי, מה שהופך את ערימות הפסולת לרגישות יותר להחלקה. בתצורה רוחבית, ההטמנות הפנימיות נבנות קרוב יותר לאורך כיוון הנטייה הטבעי. זה מקטין את המרכיב הירידתי, מאריך את מסלול ההחלקה ומגביר את כוחות ההתנגדות בסלע ובפסולת. במילים פשוטות, ניתן לערום את אותה כמות פסולת בצורה וכיוון שפחות נוטה לכשל. גאומטריה משופרת זו גם מסדירה ניקוז ויצירת מדפים (benches) סדירים יותר, שני גורמים חשובים לבריאות שיפוע לטווח ארוך.

השוואת ארבעה תכניות עם שיטת ניקוד הוגנת

המתכננים עיצבו ארבע דרכים שונות לחלק את הבור לאזורים רחבים, כל אחת עם רצף ההתקדמות וההטמנה שלה. לכל תכנית יש יתרונות וחסרונות מעשיים: חלקן מעדיפות נוחות לטווח הקצר ונסיעות משאיות קצרות יותר, אחרות מעדיפות חיי שירות ארוכים יותר או פריסות פשוטות יותר לציוד כבד עתידי. כדי לבחור ביניהן, המחברים בנו כרטיס ניקוד בן שמונה חלקים ששוקל גאולוגיה, חוזק סלע, תנאי מים, צורת פני השטח, מאמץ הנדסי, כלכלה, הפרעה סביבתית והשפעות חברתיות כמו רכישת קרקע. במקום להסתמך על מדד יחיד או דירוג סובייקטיבי מוחלט, הם משלבים שני סוגי משקלים: שיפוט מומחים (שיטת ניתוח היררכי אנליטי) ושיטת «אנטרופיה» שבוחנת עד כמה כל מדד מכיל מידע. הם מזינים את הגורמים המשוקלים הללו למסגרת שנקראת תורת האומדנים הלא-מוחלטים (Unascertained Measure Theory), שמטפלת במספרים מעורבים ובדירוגי מומחים ומקציבה לכל תכנית רמת אמון שהיא "מצוין", "טוב", "סביר" או "לקוי".

התכנית המנצחת ומה שהיא מספקת

במסגרת הערכה משולבת זו בולטת התכנית השנייה בבירור. היא מארגנת מחדש את שטח החציבה המקורי לארבעה אזורים רוחביים רחבים, עם קווי עבודה ארוכים אך עדיין ניתנים לניהול ופריסה המתאימה למערכות חציבה רציפות או חצי־רציפות עתידיות כגון מספקי שבבי־בור וקונוויורים בתוך הבור. אופציה זו מרוויחה ציון אמון של כ־0.71 בקטגוריית "מצוין" העליונה, לפני יתר התכניות. במהלך חיי המכרה היא תשחרר כ־971 מיליון טון פחם, עם יחס סריקה ממוצע של 5.8 מטרים מעוקבים סלע לפר טון פחם וחיי שירות מקסימליים של יותר מ־34 שנים. אף על פי שמרחקי ההובלה הפנימיים ארוכים יותר בערכים מוחלטים, כשהעלויות מתפזרות על פני תפוקה גדולה ויעילה יותר, היא עדיין מציעה את העלות הנמוכה הכוללת לפר טון ושיפורי מרווחי בטיחות.

מה המשמעות מעבר למכרה אחד

ללא מומחיות מיוחדת, המסר המרכזי הוא שבאופן שבו חותכים ועובדים בור פתוח ענקי יש השפעה שניתן להשוות לכמות הפחם שמתחתיו. באמצעות כיוון מתמטי של אורך חזית החציבה הפעילה והפניית המכרה לאזורים רוחביים שמתיישרים עם הגאולוגיה, אפשר להגדיל תפוקה תוך צמצום הן של הפסולת והן של הסיכונים. הגישה של המחקר — רשימת בדיקה מובנית של גורמים טכניים, כלכליים, סביבתיים וחברתיים בשילוב שיטת ניקוד שקופה — מציעה תבנית למכרות שטח גדולים אחרים המתמודדים עם התרחבות. היא מציעה כי תכנון זהיר יכול להפוך את גידול הקיבולת מהימור לדרך מונחית וברת־קיימא יותר.

ציטוט: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

מילות מפתח: חציבת פחם בשיטה פתוחה, תכנון מכרה, יציבות מדרונות, הרחבת קיבולת, הערכה רב-קריטרית