Uitgebreide veiligheidsbeoordeling van backfill-controlesystemen op basis van een aangepast set-pair materie-element extensiemodel

Waarom veiliger backfillen in diepe mijnen ertoe doet

Naarmate kolen- en ertslagen in de buurt van het oppervlak opraken, gaat de mijnbouw dieper, waar de gesteentedruk hoger is en het risico op instorting of milieuschade toeneemt. Een van de belangrijkste middelen om dieper mijnen veiliger te maken is backfillen: afvalgesteente en cement in lege tunnels pompen om het gesteente te ondersteunen. Maar de backfillsystemen van vandaag zijn steeds complexer en vol sensoren, pompen, leidingen en software. Deze studie behandelt een eenvoudige maar cruciale vraag: hoe kunnen we vaststellen of het backfill-controlesysteem van een mijn echt veilig, slim en betrouwbaar is?

Van eenvoudig vullen naar intelligente besturing

Moderne backfillsystemen doen veel meer dan alleen slurry door leidingen verplaatsen. Ze monitoren continu hoe het vulmateriaal wordt gemengd, hoe het door lange ondergrondse leidingen stroomt en hoe sterk het wordt zodra het in de uitgegraven ruimtes uithardt. Met netwerken, cloudcomputing en bigdatatools kunnen de systemen pompsnelheden, mixverhoudingen en spoeloperaties in real time aanpassen en vroegtijdige waarschuwingen geven als er iets mis dreigt te gaan. Goed uitgevoerd verbetert dit de veiligheid, vermindert materiaalverspilling en bespaart arbeid. Toch zijn deze systemen relatief nieuw en ontbrak een duidelijke, op wetenschap gebaseerde manier om te beoordelen hoe geavanceerd of betrouwbaar een installatie werkelijk is.

Een complex systeem opdelen in heldere onderdelen

De auteurs stellen een gestructureerde methode voor om backfill-controlesystemen als geheel te evalueren. Ze delen het systeem in vier hoofdonderdelen: hoe de slurry aan het oppervlak wordt bereid, hoe deze wordt getransporteerd en bewaakt langs de leiding, hoe de sterkte en stabiliteit van het verharde vulmateriaal worden gecontroleerd, en hoe goed het hele systeem visueel en digitaal wordt beheerd. Binnen deze vier gebieden definiëren ze 16 specifieke indicatoren, zoals de intelligentie van de zandlevering, de betrouwbaarheid van het slurry-mengproces, hoe goed leidingsdruk wordt bewaakt, of fouten vroegtijdig waarschuwingen activeren en hoe effectief de sterkte van het verharde vulmateriaal in de tijd wordt gevolgd. Vervolgens beoordelen ze systemen op vijf niveaus, van basis (Niveau I) tot zeer geavanceerd (Niveau V), waarbij hogere niveaus meer automatisering, robuustheid en integratie weerspiegelen.

Deskundig oordeel combineren met harde data

Om dit raamwerk in een bruikbaar beoordelingsinstrument om te zetten, koppelt het team deskundige mening aan wiskundige methoden die ontworpen zijn voor onzekerheid. Specialisten in mijnbouw en engineering scoren elke indicator, maar in plaats van één enkel getal geven ze een bereik dat hun onzekerheid weergeeft. Een methode genaamd blind number theory zet deze bereiken en de geloofwaardigheid van elk expertoordeel om in één objectievere waarde voor elke indicator. Het belang, of de "gewichtsfactor", van elke indicator wordt vervolgens op twee manieren berekend: een subjectieve methode die de mening van experts over wat het meest telt vastlegt, en een objectieve methode die kijkt hoeveel informatie elke indicator daadwerkelijk draagt in de beschikbare data. Een op Lagrange gebaseerde formule voegt deze samen tot gecombineerde gewichten die noch puur op opinie noch puur statistisch zijn.

Gelijkenis, verschil en risico meten

Zodra iedere indicator een waarde en gewicht heeft, passen de auteurs een wiskundig schema toe dat bekendstaat als het set pair materie-element extensiemodel. In wezen vergelijkt deze methode de gemeten toestand van een systeem met de normen voor elk niveau en behandelt ze die als een "paar" dat deels identiek, deels verschillend en deels tegengesteld kan zijn. Voor elke indicator en elk mogelijk niveau berekent het model een lidmaatschapsgraad die aangeeft hoe sterk het systeem bij dat niveau past. Deze worden vervolgens over alle indicatoren gemengd met de gecombineerde gewichten om een totale lidmaatschapscore voor elk niveau te produceren. Het niveau met de hoogste lidmaatschapswaarde wordt als het systeemniveau genomen, en een aanvullende berekende waarde toont of het systeem binnen de schaal naar een beter of slechter niveau tendeert.

Praktijktest in echte mijnen

Om te controleren of hun evaluatiemodel praktisch bruikbaar is, passen de onderzoekers het toe op drie actieve mijnen, elk met een modern backfill-controlesysteem. Een panel van vijf experts beoordeelt de 16 indicatoren op elke locatie en de gegevens gaan door de blind number-, weging- en set pair-extensiestappen. Alle drie de mijnen worden als Niveau IV gerated, wat duidt op een hoge graad van intelligentie en veiligheid, maar nog niet het hoogste niveau. De gedetailleerde indicatorscores tonen waar elke mijn kan verbeteren — bijvoorbeeld stabielere regeling van het vloeistofniveau in mengtrommels in het ene geval, betere ontwerpoplossingen voor de assendistrubutie in een ander, en robuustere leidingbewaking en noodrespons in het derde. Om vertrouwen te vergroten vergelijken de auteurs hun resultaten met twee andere evaluatiebenaderingen, een cloudmodel en een attribuutherkenningsmodel; alle drie methoden stemmen overeen met elkaar en met de ervaringen ter plaatse.

Wat de bevindingen betekenen voor veiliger mijnbouw

In alledaagse termen biedt dit werk mijnexploitanten een soort veiligheids-"gezondheidscontrole" voor hun backfill-controlesystemen. In plaats van op onderbuikgevoel of geïsoleerde prestatiemaatstaven te vertrouwen, brengt het nieuwe model veel aspecten van ontwerp, detectie, automatisering en databeheer samen in een enkel, gegradeerd beeld, terwijl het toch toont welke subsystemen een mijn beletten topresultaten te bereiken. Het feit dat de methode overeenkomt met andere modellen en met waarnemingen uit de praktijk suggereert dat het kan dienen als een betrouwbaar besluitvormingshulpmiddel voor het upgraden van systemen, het voorkomen van leidingverstoppingen en het versterken van ondergrondse ondersteuning. Nu backfilltechnologie complexer en essentiëler wordt voor diepe mijnbouw, zullen zulke transparante en evenwichtige evaluatie-instrumenten belangrijk zijn voor het sturen van veiliger, efficiënter en milieuvriendelijker opereren.

Bronvermelding: Yin, Y., Yang, S., Yang, Y. et al. Comprehensive safety evaluation for back-filling control system based on modified set pair matter-element extension model. Sci Rep 16, 9056 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39557-6

Trefwoorden: intelligent backfillen, mijnveiligheid, slurrypijpleidingbewaking, risicobeoordelingsmodellen, automatisering ondergrondse mijnbouw