Optymalizacja parametrów pobierania w oparciu o prawo przepływu węgla nadpokładowego w zawałowym wydobyciu w grubych pokładach

Dlaczego to badanie górnicze ma znaczenie

W miarę wyczerpywania się najłatwiej dostępnych złóż, kopalnie muszą przechodzić do głębszych, grubych pokładów, które są trudniejsze i bardziej ryzykowne w eksploatacji. W takich warunkach metoda zwana zawałowym udostępnianiem węgla nadpokładowego (longwall top-coal caving) może wydobyć znacznie więcej węgla z każdego pasa pod ziemią — pod warunkiem że rozdrobniony węgiel płynie gładko, a niepożądana skała pozostaje na miejscu. W pracy tej zbadano rzeczywistą kopalnię w południowo-zachodnich Chinach i postawiono proste, lecz kluczowe pytanie: w jaki sposób należy czasować i sekwencjonować pobieranie rozdrobnionego węgla, aby uzyskać jak najwięcej paliwa przy minimalnej ilości odpadów?

Problem pozyskania węgla bez nadmiaru skały

W grubych pokładach nowoczesne maszyny ścinają tylko dolną część węgla. Górna część — „węgiel nadpokładowy” — pozostaje do samozawału i przemieszczania się przez otwory za szeregiem ciężkich podpór hydraulicznych. W idealnej sytuacji rozdrobniony węgiel spływa do zsypów i na przenośniki, podczas gdy leżąca powyżej skała — zwana płonną — pozostaje na miejscu. W praktyce przepływ zachowuje się bardziej jak piasek i żwir w pochyłym klepsydrze: jeśli otwory są zbyt duże, zbyt rzadko rozmieszczone lub otwierane zbyt długo, skała wtłacza się do układu, rozcieńczając węgiel i zwiększając koszty przeróbki. Jeśli są zbyt małe lub zamykane zbyt wcześnie, znaczna część węgla zostaje uwieziona nad głowami i trwale utracona.

Badanie przepływu węgla za pomocą modeli i skalowanych eksperymentów

Naukowcy skupili się na ścianie wydobywczej 11508 w kopalni Xiejiagou, gdzie główny pokład ma około pięciu metrów grubości i jest strukturalnie stabilny. Najpierw zmierzyli wytrzymałość i stopień rozbicia węgla oraz otaczających skał, potwierdzając, że węgiel nadpokładowy jest naturalnie dostatecznie rozdrobniony, by się zaważać i płynąć. Następnie zbudowali szczegółowe modele komputerowe składające się z tysięcy cząstek, aby odwzorować węgiel i skałę stropową wokół ściany longwall. W tych symulacjach mogli regulować dwa kluczowe parametry: jak daleko posuwa się kombajn przed każdym epizodem pobierania (odstęp krokowy) oraz stosunek między wysokością ściętej warstwy przez kombajn a wysokością pobieranego nadpokładu (stosunek wydobycia do pobierania).

Znajdowanie optymalnego momentu i proporcji

Przeprowadzając wiele wirtualnych cykli wydobywczych, zespół porównał różne kombinacje tych parametrów. Gdy wydobycie i pobieranie były dopasowane 1:1 w dystansie, produkcja węgla z każdego kroku była stosunkowo równomierna; kiedy trzy kroki ścinania następowały po jednym pobieraniu, ilość odzyskanego materiału zmieniała się gwałtownie, a więcej węgla pozostawało w stropie. Bardziej systematyczny zestaw dwunastu symulacji wykazał, że odstęp między zdarzeniami pobierania miał największy wpływ na ostateczny odzysk węgla — około sześć razy większy niż wpływ stosunku wysokości. Krótsze odstępy rzędu 0,8 metra, połączone z umiarkowanym stosunkiem wydobycia do pobierania około 1:1,5, dały najwyższy symulowany odzysk — ponad 85 procent — przy stabilnym przepływie krok po kroku.

Testowanie zachowania w rzeczywistości w laboratorium

Aby zweryfikować wyniki wirtualne, autorzy zbudowali przezroczysty zbiornik wypełniony czarnym żwirem symulującym węgiel i białym żwirem symulującym skałę stropową, skalowany tak, by odpowiadać geometrii rzeczywistego pokładu. Regulowane szczeliny u dołu zastępowały otwory pobierania na podporach. Zmieniając odstępy krokowe i wzory otwierania oraz ważąc materiały wypływające z każdej szczeliny, mogli obserwować, jak niewielkie zmiany w czasie wpływają zarówno na ilość odzyskanego węgla, jak i na udział skały. Krótsze odstępy odzyskiwały najwięcej węgla, ale także miały tendencję do zaciągania większej ilości skały, gdy pobieranie trwało zbyt długo. Większe odstępy nieco zmniejszały udział skały, lecz pozostawiały w modelu więcej węgla w goafie, czyli pustej przestrzeni za podporami.

Kiedy zamknąć okno na przepływającą skałę

Ponieważ każda operacja musi równoważyć cenę węgla z kosztami usuwania zanieczyszczeń, zespół posunął się dalej i skwantyfikował zasady odcięcia dla zakończenia każdego cyklu pobierania. Pracując z modelem fizycznym, zmierzyli, jak udział skały w mieszaninie rośnie w miarę kontynuacji pobierania po pojawieniu się pierwszych kawałków płonnej. Na tej podstawie zaproponowali praktyczne zasady „zamykania okna”: przy wczesnym pobieraniu jedną opcją jest dopuścić, aby skała osiągnęła około jednej piątej objętości, co pozwala na niemal pełny odzysk węgla, albo zatrzymać wcześniej, gdy udział skały zbliża się do jednej ósmej, jeśli priorytetem jest jakość węgla. W powtarzanych cyklach sugerują luźniejsze limity — około jednej szóstej objętości — ponieważ pozostaje wtedy mniej węgla, a bilans ekonomiczny się zmienia.

Od symulacji do ściany wydobywczej

Stosując te zoptymalizowane ustawienia na rzeczywistej ścianie 11508 — ścinanie 1,96 metra, pobieranie 2,94 metra i przesuwanie ściany co 0,8 metra z zasadą „zamykać po zauważeniu skały” — kopalnia osiągnęła zmierzony odzysk węgla nadpokładowego na poziomie około 91,5 procent, jednocześnie redukując zawartość skały do około 30 procent, co było znacznie lepszym wynikiem niż wcześniej. Dla osób niezaznajomionych z tematem oznacza to więcej użytecznego węgla z tej samej objętości pod ziemią, mniej odpadów do wywozu i przeróbki oraz mniejszą skalę ingerencji w otaczające skały przy produkcji każdej tony. Praca pokazuje, jak subtelne zrozumienie mechaniki przepływu rozdrobnionego węgla może przełożyć się na konkretne zasady, które zwiększają efektywność i opłacalność eksploatacji grubych, głębokich pokładów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: zawałowy udostępniacz węgla nadpokładowego, odzysk węgla, optymalizacja wydobycia, kontrola skały płonnej, gruby pokład węgla