改良泥岩–フライアッシュ地ゼオポリマー詰め材による露天掘り鉱山の発破性能向上と粉じん抑制の総合的改善

大規模鉱山のためのよりクリーンな発破

露天掘りの石炭鉱山はエネルギー供給に不可欠ですが、岩石を破砕するたびに大量の粉じんが発生し、特に乾燥・強風の草原地帯では大きな問題となります。その粉じんは作業者の肺を傷め、機械を摩耗させ、鉱山の周辺生態系にまで飛散します。本研究は、発破時に発生する粉じんを発生源で抑えつつ、爆発の効率も高める新しい方法を探ります。具体的には、現地の採掘廃棄物を用いて、発破孔内に充填する速硬化で機能的な詰め材をつくるアプローチです。

露天掘りにおける粉じん問題

中国の露天掘り石炭生産が拡大するにつれ、北部草原地帯での環境負荷も増しています。露天掘りは面積が広く深く、夏は高温乾燥で強風が粒子を容易に運びます。こうした条件下では、発破や露出した岩面から生じる粉じんが主要な大気質問題です。鉱山はしばしば発破後に水や薬剤で粉じんを抑える散水に頼りますが、水資源は乏しく、散水は高コストで効果が短時間で失われがちです。著者らは、粉じん抑制と良好な発破を別々に扱うのではなく、発破孔の密閉性で決まる一つの問題として統合的に考えるべきだと主張します。

廃石を有用な詰め材に変える

研究者らは新しい「ステミング（詰め）」材を開発しました。これは発破孔の頂部を密閉する詰め材で、泥岩のボーリング切削片とフライアッシュという、どちらも一般的な固形廃棄物を原料とします。これらの粉体を水ガラスと水酸化ナトリウムを主体とした強アルカリ液と化学的促進剤で混合し、スラリーは流動性を保ちながら30分未満で硬化します。詰め材内部では微視的なゲルが形成され、互いに絡み合って低透水性で密なネットワークを作り、周囲の岩に強く付着します。促進剤と液量を調整することで、注入しやすさと速硬化、衝撃時にわずかに柔軟で強い挙動を両立する配合を見つけました。

新しい詰め材の爆発応答

この新材料が実際の発破に近い条件でどのように振る舞うかを確かめるため、研究チームは実験室試験と数値実験の両方を実施しました。高速衝撃試験を含む室内試験では、地ゼオポリマー詰め材は天然泥岩より靭性が高く、粉々に砕け散るのではなく、制御された「準延性」破壊を示してエネルギーを吸収しつつ飛散しにくいことが示されました。顕微鏡観察とX線分析では、カルシウム–シリケート系およびカルシウム–アルミニウム–シリケート系のゲルが孔隙を埋め、粒子を接着して緻密で弾性のある微細構造を形成していることが明らかになりました。爆轟ガスと岩塊の運動を粒子ベースで追跡する鉱山ベンチ全体の数値シミュレーションでは、詰め材が短すぎるとガスが早期に抜けてエネルギーが上方へ逃げ、長すぎるとエネルギーが閉じ込められて破砕が不十分になることが示されました。彼らのケースでは中間的な長さ、約2.5メートルが岩塊全体に均等な割裂をもたらしました。

稼働中鉱山での現地試験

実地試験は稼働中の露天掘り石炭鉱山で行われました。研究者らは従来の泥岩詰め材と改良泥岩–フライアッシュ地ゼオポリマーを、それぞれ20本ずつの発破孔セットで比較しました。ドローンに搭載した粉じんセンサーが爆風を通過して測定し、地上では振動や破砕石の粒度を観測しました。新しい詰め材を用いた場所では、ピーク粉じん量が約40％低下しました。破砕された岩塊山は過度に細かい粒や非常に大きな巨礫が減り、中間粒径の材料が増加して運搬・破砕コストが下がりました。発破近傍の地盤振動もわずかに低減し、発破効率が向上したことで同量の岩石移動に必要な発破孔数を減らせる可能性も示されました。

鉱山発破のより環境に優しい道筋

専門外の方への要点は、この新しい詰め材が現地の廃棄物である泥岩切削片を速硬化で耐久性のある封止材に変え、発破時に岩石をより効率的に破砕しながら飛散する粉じんを大幅に減らすことです。爆発エネルギーを岩内で有効に閉じ込める時間を確保することで、粉じんを後追いで水などで抑えるのではなく、発生瞬間に抑制します。これにより作業者の安全性が高まり、周辺コミュニティや生態系への負荷が軽減され、鉱山経営の効率も向上します。実用的で環境負荷の低い露天掘りへの一歩となる提案です。

引用: 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

キーワード: 露天掘り石炭採掘, 粉じん抑制, 地ゼオポリマー詰め材, 発破最適化, 固形廃棄物利用