Optimalisatie van aftekenparameters op basis van de stromingswet van bovenste steenkool bij delfstoffenwinning in dikke lagen

Waarom deze mijnbouwstudie ertoe doet

Naarmate de gemakkelijkst toegankelijke kolenvoorraden uitgeput raken, moeten mijnen zich richten op diepere, dikkere lagen die moeilijker en risicovoller zijn om te bewerken. In dergelijke situaties kan een methode genaamd longwall top-coal caving aanzienlijk meer kolen uit elke ondergrondse sectie winnen — maar alleen als de gebroken steenkool soepel stroomt terwijl ongewenste gesteente buiten wordt gehouden. Deze studie bekijkt een echte mijn in het zuidwesten van China en stelt een eenvoudige maar cruciale vraag: hoe moeten we het tijdstip en de volgorde van het afvoeren van gebroken steenkool plannen zodat we de meeste brandstof met de minste vervuiling krijgen?

De uitdaging: kolen winnen zonder te veel gesteente

In dikke lagen snijden moderne machines alleen het onderste deel van de kool. De bovenste "top coal" wordt overgelaten om in te storten en door openingen achter een rij zware hydraulische steunpilaren te stromen. Ideaal gesproken valt deze gebroken kolen in schachten en op transportbanden, terwijl het bovenliggende gesteente — gangue genoemd — op zijn plaats blijft. In de praktijk gedraagt de stroming zich meer als zand en grind in een schuine zandloper: als de openingen te groot, te ver uit elkaar of te lang geopend zijn, stroomt gesteente naar binnen, wordt de kool verdund en stijgen de verwerkingskosten. Als ze te klein zijn of te vroeg worden gesloten, blijft een groot deel van de kolen boven hangen en gaat voorgoed verloren.

De stroming van kolen onderzoeken met modellen en schaalexperimenten

De onderzoekers concentreerden zich op Werkend Veer 11508 in de Xiejiagou-kolenmijn, waar het hoofdlagen ongeveer vijf meter dik en structureel stabiel is. Eerst maten ze hoe sterk en gebarsten de kool en omliggende gesteenten zijn, waarmee ze bevestigden dat de bovenste kool van nature voldoende gebroken is om in te storten en gemakkelijk te stromen. Vervolgens bouwden ze gedetailleerde computermodellen bestaande uit duizenden deeltjes om kool en dakgesteente rond het longwall-front na te bootsen. In deze simulaties konden ze twee belangrijke variabelen aanpassen: hoe ver de kapmachine vooruit schuift voordat elke afvoeractie plaatsvindt (de stapafstand) en de verhouding tussen de hoogte die door de scheermachine wordt weggesneden en de hoogte van de van boven getrokken kool (de mijnbouw-tot-afvoerverhouding).

Het vinden van het juiste tijdstip en de beste verhoudingen

Door veel virtuele mijnbouwcycli uit te voeren, vergeleek het team verschillende combinaties van deze variabelen. Wanneer mijnbouw en afvoer één-op-één in afstand waren afgestemd, was de kolenopbrengst per stap relatief gelijkmatig; wanneer drie snijstappen werden gevolgd door één afvoeractie, varieerde de hoeveelheid die bij elke episode werd teruggewonnen sterk en bleef er meer kool achter. Een systematischere reeks van twaalf simulaties toonde aan dat de afstand tussen afvoerevents de grootste invloed had op hoeveel kolen uiteindelijk werden teruggewonnen — ongeveer zesmaal belangrijker dan de hoogeverhouding. Kortere intervallen van 0,8 meter, gecombineerd met een matige mijnbouw-tot-afvoerverhouding van ongeveer 1:1,5, leverden de hoogste gesimuleerde terugwinning op, ruim boven de 85 procent, met een stabiele stroming van stap tot stap.

Gedrag in de echte wereld testen in het laboratorium

Om de virtuele resultaten te controleren bouwden de auteurs een doorzichtige tank gevuld met zwart grind voor kool en wit grind voor dakgesteente, geschaald om de geometrie van de echte laag te benaderen. Verstelbare sleuven aan de onderzijde fungeerden als de afvoeringsopeningen op de steunen. Door stapafstanden en openingspatronen te variëren en door het gewicht van het materiaal dat uit elke sleuf kwam te wegen, konden ze zien hoe kleine wijzigingen in timing zowel de hoeveelheid teruggewonnen kool als het aandeel gesteente veranderden. Kortere stapafstanden herwonnen de meeste kolen, maar trokken ook de neiging om meer gesteente mee te nemen zodra het afvoeren te lang doorging. Grotere stapafstanden verminderden enigszins het gesteente, maar lieten meer kolen achter in de modelledige ruimte (goaf) achter.

Wanneer de toevoer van gesteente moet worden afgesloten

Aangezien elke echte operatie de kolenprijs moet afwegen tegen de kosten van het verwijderen van onzuiverheden, gingen de onderzoekers verder en kwantificeerden regels voor het afbreken van elke afvoerbout. Met hun fysische model maten ze hoe het aandeel gesteente in het mengsel steeg naarmate het afvoeren doorging nadat gangue voor het eerst verscheen. Hieruit stelden ze praktische "venstersluitings"-principes voor: bij vroege afvoer is een optie om gesteente toe te staan ongeveer een vijfde van het volume te bereiken om bijna volledige kolenwinst te behalen, of eerder te stoppen wanneer gesteente dichter bij een achtste is als kolenskwaliteit voorop staat. In herhaalde cycli raden ze ruimere limieten aan — ongeveer een zesde van het volume — omdat er minder kolen overblijven en de economische afwegingen verschuiven.

Van simulatie naar het mijnfront

Bij toepassing van deze geoptimaliseerde instellingen op het daadwerkelijke werkfront 11508 — snijden van 1,96 meter, afvoeren van 2,94 meter en het verplaatsen van het front elke 0,8 meter met een gedisciplineerde "sluit wanneer gesteente verschijnt"-regel — behaalde de mijn een gemeten bovenste-kolen-terugwinning van ongeveer 91,5 procent terwijl het gesteentegehalte teruggebracht werd tot ongeveer 30 procent, veel beter dan eerder gebruik. Voor niet-specialisten betekent dit meer bruikbare kolen uit hetzelfde ondergrondse volume, minder afval om te vervoeren en te wassen, en minder verstoring van het omliggende gesteente per geproduceerde ton. Het werk toont hoe een subtiel begrip van de stroming van gebroken kolen kan worden omgezet in concrete regels die het winnen in diepe, dikke lagen zowel efficiënter als economisch voordeliger maken.

Bronvermelding: Wu, S., Xu, X., Wang, J. et al. Optimization of drawing parameters based on top-coal flow law in thick-seam caving mining. Sci Rep 16, 12078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35742-9

Trefwoorden: longwall top coal caving, kolenwinst, mijnbouwoptimalisatie, ganguecontrole, dikke koollaag