Uitgebreide verbetering van springprestaties en stofonderdrukking in dagbouwmijnen met een gemodificeerd leisteen‑vliegas geopolymeer‑plugmateriaal

Schoonere springladingen voor grote mijnen

Dagbouwkolenmijnen zijn essentieel voor de energievoorziening, maar elke ontploffing die gesteente breekt, stoot ook enorme stofwolken uit, vooral in droge, winderige graslandgebieden. Dat stof schaadt de longen van werknemers, slijt machines en waait ver buiten de mijn, waarbij omliggende ecosystemen worden getroffen. Deze studie onderzoekt een nieuwe aanpak om stof direct bij de bron tijdens het springwerk aan te pakken en tegelijk elke explosie efficiënter te maken, door lokaal mijnafval om te zetten in een slim, snel uithardend stopmiddel in de springgaten.

Stofproblemen in dagbouw

Naarmate de dagbouwkolenproductie in China is gegroeid, zijn ook de milieu­druk en problemen in de noordelijke graslanden toegenomen. Dagbouwputten zijn breed en diep, de zomers zijn heet en droog en sterke winden vervoeren gemakkelijk fijn stof. Onder deze omstandigheden is stof afkomstig van springwerk en van verstoorde gesteenteoppervlakken de belangrijkste luchtkwaliteitskwestie. Mijnen vertrouwen vaak op water- of chemische besproeiing om stof na een ontploffing neer te slaan, maar water is schaars, besproeiing is duur en het effect neemt snel af naarmate oppervlakken opdrogen of opnieuw worden verstoord. De auteurs betogen dat stofbeheersing en goed springwerk als één gecombineerd probleem moeten worden behandeld, bepaald door hoe goed de springgaten zijn afgedicht.

Van afvalgesteente naar een nuttige plug

De onderzoekers ontwikkelden een nieuw stemmingmateriaal — de plug die de bovenkant van een springgat afdicht — gemaakt van leisteenboorafval en vliegas, beide veel voorkomende vaste afvalstromen. Ze mengen deze poeders met een sterk alkalische vloeistofmengsel van natrium­silicaat (waterglas) en natriumhydroxide plus een chemische versneller, zodat de slurry gemakkelijk vloeit en binnen een halfuur uithardt. In de plug vormen zich microscopische gels die zich verweven tot een dicht, laag‑porositeitsnetwerk dat strak aan het omringende gesteente hecht. Door de hoeveelheid versneller en vloeistof bij te stellen, vond het team een recept dat eenvoudig pompen combineert met snel zetten en sterke, licht flexibele eigenschappen bij impact door de explosie.

Hoe de nieuwe plug een explosie opvangt

Om te zien hoe dit materiaal zich gedraagt onder echte, explosieachtige omstandigheden voerde het team zowel fysieke als computergestuurde experimenten uit. Laboratoriumtesten, waaronder hogesnelheidsimpactproeven, toonden aan dat de geopolymeerplug taai­heitiger is dan natuurlijk leisteen: in plaats van te verbrijzelen, barst hij op een gecontroleerde, “quasi-ductiele” manier en absorbeert energie zonder uit elkaar te vliegen. Microscopie- en röntgenanalyses lieten zien dat verweven calcium‑silicaat en calcium‑aluminium‑silicaat gels poriën vullen en de deeltjes binden, waardoor een compacte, veerkrachtige microstructuur ontstaat. Computersimulaties van gehele mijnbanken, met een deeltjesgebaseerde methode voor het volgen van explosieve gassen en gesteentsverplaatsing, toonden aan dat als de geopolymeerplug te kort is, gas vroegtijdig ontsnapt en energie naar boven wegschiet; is hij te lang, dan raakt energie opgesloten en breekt het gesteente slecht. Een tussengelegen pluglengte, in hun geval ongeveer 2,5 meter, levert een gelijkmatiger verspreiding van barsten door de gesteentemassa.

Veldproeven in een werkende mijn

De echte test vond plaats in een operationele dagbouwkolenmijn. De onderzoekers vergeleken conventionele leisteenplugs met hun nieuwe leisteen‑vliegas geopolymeer in sets van 20 springgaten. Drones met stofsensoren vlogen door de springpluimen, terwijl grondinstrumenten trillingen en de korrelgrootte van het gebroken gesteente registreerden. Waar de nieuwe plug werd gebruikt, daalden de piekstofconcentraties met ongeveer 40 procent. Het gebroken gesteentestal bevatte minder te fijne deeltjes en minder zeer grote blokken, met meer materiaal in een middelgrote fractie die makkelijker en goedkoper te vervoeren en te vergruizen is. De grondtrilling nabij de ontploffing nam iets af en omdat elke ontploffing efficiënter werkte, kon de mijn met minder springgaten dezelfde hoeveelheid gesteente verplaatsen.

Een groenere route voor mijnspringwerk

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat deze nieuwe plug lokaal afval — leisteenboorafval — omzet in een snel uithardende, duurzame afdichting die helpt elke ontploffing schoner te laten breken en veel minder stof de lucht in te sturen. Door explosieve energie lang genoeg ingesloten te houden om nuttig werk in het gesteente te verrichten, vermindert het geopolymeer‑stemmingmateriaal stof op het moment dat het ontstaat in plaats van het achteraf met water te bestrijden. Dat maakt het springwerk veiliger voor werknemers, vriendelijker voor omliggende gemeenschappen en ecosystemen, en efficiënter voor mijnexploitanten — een praktische stap richting schonere, groener dagbouw.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: dagbouw kolenmijnbouw, stofonderdrukking, geopolymeer stemming, optimalisatie van springwerk, benutting van vast afval