שיפור מקיף של ביצועי הפיצוץ ודיכוי אבק במכרות פתוחים באמצעות חומר אטימה גאופולימרי מותאם מבזלת טין–סמפי אפר-מעוף

פיצוצים נקיים יותר עבור מכרות גדולים

מכרות פחם פתוחים חיוניים לאספקת אנרגיה, אך כל פיצוץ שמפצל סלע גם משפריץ ענני אבק עצומים לאוויר, בעיקר באזורים עשבוניים יבשים ורוחניים. האבק הזה פוגע בריאות העובדים, משחיק מכונות ונישא רחוק מעבר למכרה, ומשפיע על מערכות אקולוגיות סמוכות. המחקר בוחן דרך חדשה לטפל באבק במקור בזמן הפיצוץ, ובמקביל לשפר את יעילות המפץ, על ידי המרת פסולת כרייה מקומית לשסתום חכם שמתקשה במהירות בתוך חורי המטענים.

בעיות אבק בכרייה פתוחה

עם גידול התפוקה בכרייה הפתוחה בסין, גברו גם הלחצים הסביבתיים בעשביות הצפוניות שלה. החציבות פתוחות ורחבות, הקייצים חמים ויבשים, ורוחות חזקות נושאות חלקיקים עדינים בקלות. בתנאים אלה, האבק שנוצר בפיצוצים וממשטחים שסולפו הוא בעיית איכות האוויר העיקרית. מכרות מסתמכים לעתים על ריסוס מים או חומרים כימיים כדי להשקיט אבק לאחר פיצוצים, אך המים נדירים, הריסוס יקר, והאפקט דועך מהר כשהמשטחים מתייבשים או מופרעים שוב. המחברים טוענים שיש לטפל בשליטה באבק ובתכנון פיצוץ כבעיה משולבת, הנשלטת על־ידי איכות האיטום של חורי המטענים.

הפיכת סלע פסולת לשסתום שימושי

החוקרים פיתחו חומר אטימה חדש — השסתום שמאטם את חלקו העליון של חור המטען — המיוצר מחיידקוני בוררות טין (mudstone) ואפר־מעוף, שתי פסולות מוצקות נפוצות. הם מערבבים את האבקות האלה עם תמיסה אלקלינית חזקה של זכוכית מים (water glass) ונתרן הידרוקסיד בתוספת מאיץ כימי כך שהתמיסה תהיה ניתנת לשאיבה ותתקשה בפחות מחצי שעה. בתוך השסתום נוצרים ג’לים מיקרוסקופיים שמשזרים זה בזה לרשת צפופה ודלת נקבוביות שמדבקת חזק לסלע הסובב. בהתאמת כמות המאיץ והנוזל מצאו החוקרים נוסחה שמאזנת בין שאיבה קלה לבין התקשות מהירה והתנהגות חזקה ומעט גמישה בעת פיצוץ.

כיצד השסתום החדש מתמודד עם פיצוץ

כדי לבדוק את התנהגות החומר בתנאי פיצוץ מדומים, הצוות ערך ניסויים פיזיים ומדמים ממוחשבים. ניסויי מעבדה, כולל מבחני פגיעה במהירות גבוהה, הראו שהשסתום הגאופולימרי עמיד יותר מבציר טבעי של טין: במקום להישבר לגושים, הוא נוטה לסדוק באופן מבוקר, "כמעט־חתיך", וסופג אנרגיה בלי להתפורר. מיקרוסקופיה וניתוחי רנטגן חשפו כי ג’לי סידן–סיליקט וג’לי סידן–אלומינוסיליקט משוזרים וממלאים נקבוביות וקושרים חלקיקים, ויוצרים מיקרו־מבנה דחוס ועמיד. סימולציות מחשב של כסאות חציבה שלמים, באמצעות שיטה מבוססת חלקיקים למעקב אחרי גזי הנפץ ותנועת הסלע, הראו שאם השסתום קצר מדי — הגזים בורחים מוקדם והאנרגיה מתנקזת כלפי מעלה; אם הוא ארוך מדי — האנרגיה נלכדת והסלע נשבר גרוע. אורך ביניים, בערך 2.5 מטר במקרה שלהם, הניב פיזור סדקים מאוזן יותר דרך מסת הסלע.

ניסויי שטח במכרה פעיל

המבחן האמיתי נערך במכרה פחם פתוח פעיל. החוקרים השוו אטימת טין קונבנציונלית לשסתום הגאופולימרי החדש בסטים של 20 חורי מטען בכל קבוצה. רחפנים מצוידים בחיישני אבק עברו דרך ענני הפיצוץ, בעוד מכשירים קרקעיים מדדו רטט וגודל הסלע השבור. במקום שבו נעשה שימוש בשסתום החדש, רמות השיא של האבק ירדו בכ־40 אחוזים. ערימות הסלע שהתפזרו הכילו פחות חלקיקים עדינים מדי ופחות סלעים גדולים מאוד, עם יותר חומר בטווח גודל בינוני שנוח וזול יותר להובלה וטחינה. הרטט הקרקעי ליד הפיצוץ ירד במעט, ומכיוון שכל פיצוץ עבד ביעילות גבוהה יותר, המכרה יכול היה להשתמש בפחות חורי מטען כדי להזיז את אותה כמות סלע.

נתיב ירוק יותר לפיצוצי מכרות

ללא מומחיות מיוחדת, המסר העיקרי הוא שהשסתום החדש ממיר פסולת מקומית — חצצים של טין — לאטימה מהירה ועמידה שעוזרת לכל פיצוץ לשבור את הסלע בצורה נקייה יותר בזמן שהיא מפחיתה משמעותית את האבק הנפלט. על ידי שמירת אנרגיית הנפץ מוחזקת מספיק זמן כדי לבצע עבודה מועילה בסלע, חומר האטימה הגאופולימרי מפחית את האבק ברגע יצירתו במקום לרדוף אחריו עם מים לאחר מכן. זה עושה את הפיצוצים בטוחים יותר לעובדים, ידידותיים יותר לקהילות ולמערכות האקולוגיות הסמוכות, ויעילים יותר למנהלי מכרות — מה שמציע צעד מעשי לקראת כרייה פתוחה נקייה וירוקה יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: כריית פחם פנים־גיאית, דיכוי אבק, אטימת גאופולימר, אופטימיזציית פיצוצים, מיחזור פסולת מוצקה