Studium optymalizacji strefowania poprzecznego przy rozszerzaniu wydajności niemal poziomych odkrywkowych kopalń węgla

Dlaczego przekształcanie gigantycznych wyrobisk ma znaczenie

W wielu częściach świata energetyka i przemysł wciąż w dużym stopniu opierają się na węglu. W Chinach ogromne kopalnie odkrywkowe dostarczają znaczną część tego paliwa, ale w miarę jak te zakłady rosną, mogą stawać się mniej bezpieczne, droższe i bardziej niszczące krajobraz. Artykuł analizuje, jak jedna taka kopalnia w północno-wschodnich Chinach może przeorganizować swój układ, by bezpiecznie zwiększyć produkcję, ograniczając jednocześnie odpady i lepiej wykorzystując teren oraz sprzęt. Opracowane tu koncepcje mają zastosowanie wszędzie tam, gdzie duże kopalnie powierzchniowe muszą się rozwijać bez eskalacji kosztów i ryzyka.

Z jednego dużego wyrobiska do mądrzejszych stref roboczych

Kopalnia odkrywkowa Baoqing Chaoyang obecnie produkuje około 7 milionów ton węgla rocznie i dąży do osiągnięcia 11 milionów. Eksploatuje pojedyncze, niemal poziome złoże węgla korzystając z tradycyjnego układu „wzdłużnego” (longitudinalnego): front robót przebiega mniej więcej prosto, a ciężarówki przewożą urobek i odpady na zwałowiska. Wraz ze wzrostem produkcji taki układ generuje problemy. Aktywna linia wydobywcza jest zbyt krótka, dlatego wyrobisko musi się szybko posuwać co roku, obciążając sprzęt i harmonogramy. Wewnętrzne zwałowiska w obrębie wyrobiska zapełniają się, a ich niskie, spłaszczone nachylenia odbiegają od wartości projektowych, co wskazuje na niestabilność i zostawia niewiele miejsca na dodatkowy materiał. Równocześnie rozszerzanie zewnętrznych zwałowisk jest trudne, ponieważ wymaga więcej terenu. Autorzy argumentują, że zamiast po prostu kopać szybciej według tego samego wzoru, należy podzielić kopalnię na kilka szerszych stref „poprzecznych”, które lepiej odpowiadają strukturze pokładu i zmniejszają obciążenie zwałowisk.

Znajdowanie optymalnej długości frontu i kosztu

Kluczowe pytanie brzmi: jak długa powinna być aktywna linia wydobywcza? Jeśli jest zbyt krótka, wyrobisko musi postępować bardzo szybko, co zwiększa ryzyko nachylenia ścian i zmusza ciężarówki do dłuższych przejazdów w górę i w dół. Jeśli jest zbyt długa, sprzęt może być rozproszony, a odległości transportu wewnątrz wyrobiska rosną, co również podnosi koszty. Zespół zbudował prosty model geometryczno-kosztowy łączący roczną wydajność, grubość i gęstość pokładu, dopuszczalną szybkość posuwu oraz grubość nadkładu z wskaźnikiem odsadzki (ile skały trzeba ruszyć na tonę węgla) oraz kosztami strzałów, odkrywki i transportu. Pokazują, że całkowity koszt odsadzki ma przebieg przypominający płytkie U w miarę wzrostu długości linii roboczej: bardzo krótkie linie są drogie, ponieważ odpady trzeba usuwać ze stromych ścian końcowych, natomiast bardzo długie linie zwiększają dystans transportu. Dla celu 11 milionów ton rocznie model wskazuje ekonomiczną długość linii roboczej między około 1,35 a 2,05 kilometra, z najlepszym punktem blisko 1,35 km i rocznym posuwem rzędu 400–500 metrów. Ten zakres następnie kieruje szerokością każdej nowej strefy wydobywczej.

Obrócenie kopalni na bok dla bezpieczniejszych skarp zwałowisk

Następnie autorzy badają, co się stanie, jeśli kopalnia zostanie stopniowo przekształcona z układu wzdłużnego na poprzeczny, tak aby wydobycie i zwałowanie postępowały bardziej wzdłuż łagodnego nachylenia pokładu. Korzystając z uproszczonego obrazu stabilności skarp, wyjaśniają, że w obecnym wzorcu wewnętrzne zwałowiska leżą poprzecznie do spadku warstw skalnych. Taka geometria ma tendencję do zwiększania efektywnego kąta w dół, który kontroluje poślizg, oraz skracania potencjalnej drogi zsuwu, co czyni hałdy bardziej podatnymi na zsuwy. W układzie poprzecznym zwałowiska są budowane bardziej wzdłuż kierunku naturalnego spadku. To zmniejsza składową nachylenia w dół, wydłuża drogę zsuwu i zwiększa siły oporu w skale i odpadach. Mówiąc prościej: tę samą ilość odpadów można układać w kształty i kierunki mniej skłonne do zawalenia. Lepsza geometria poprawia także odwodnienie i regularność tarasów, co jest istotne dla długoterminowego stanu skarp.

Porównanie czterech planów za pomocą rzetelnego systemu punktacji

Planiści zaprojektowali następnie cztery różne sposoby podziału wyrobiska na duże strefy, z odrębnymi sekwencjami posuwu i zwałowania. Każdy schemat ma praktyczne zalety i wady: niektóre sprzyjają krótkoterminowej wygodzie i krótszym kursom ciężarówek, inne preferują dłuższą żywotność lub prostsze układy dla przyszłych maszyn dużej skali. Aby wybrać najlepszy, autorzy skonstruowali ośmioczęściową kartę ocen, która waży geologię, wytrzymałość skał, warunki wodne, ukształtowanie powierzchni, nakład inżynieryjny, ekonomikę, zakłócenia środowiskowe i wpływy społeczne, takie jak pozyskiwanie gruntów. Zamiast polegać na jednym wskaźniku lub czysto subiektywnej kolejności, łączą dwa rodzaje ważenia: ocenę ekspercką (Analytic Hierarchy Process) oraz metodę „entropii”, która ocenia, ile informacji niesie dany wskaźnik. Te ważone czynniki wprowadzają potem do ramy zwanej Teorią Miary Niepewnej (Unascertained Measure Theory), która radzi sobie z mieszanymi liczbami i ocenami ekspertów i przyznaje każdemu schematowi poziom pewności, że jest „doskonały”, „dobry”, „umiarkowany” lub „słaby”.

Zwycięski plan i jego korzyści

W oparciu o tę złożoną ocenę wyraźnie wyróżnia się drugi schemat. Przeorganizowuje pierwotny obszar wydobywczy na cztery szerokie strefy poprzeczne, z długimi, ale nadal zarządzalnymi liniami roboczymi i układem dobrze przystosowanym do przyszłych systemów ciągłych lub półciągłych, takich jak kruszarki i przenośniki w wykopie. Opcja ta uzyskuje współczynnik pewności około 0,71 w najwyższej kategorii „doskonały”, znacząco wyprzedzając pozostałe. W okresie eksploatacji pozwoliłaby udostępnić około 971 milionów ton węgla, ze średnim wskaźnikiem odsadzki 5,8 m3 skały na tonę węgla i maksymalnym okresem eksploatacji przekraczającym 34 lata. Chociaż wewnętrzne dystanse transportu są w niej dłuższe w wartościach bezwzględnych, rozkładając koszty na większą i bardziej wydajną produkcję, nadal oferuje najniższy całkowity koszt na tonę oraz poprawione marginesy bezpieczeństwa.

Co to znaczy poza jedną kopalnią

Dla czytelnika niebędącego specjalistą kluczowy wniosek jest taki, że sposób, w jaki dzielisz i eksploatujesz ogromne wyrobisko, może mieć równie duże znaczenie jak to, ile węgla leży pod nim. Poprzez matematyczne dopasowanie długości aktywnego frontu wydobywczego i zorientowanie kopalni w strefy poprzeczne zgodne z geologią, można zwiększyć wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu zarówno odpadów, jak i ryzyka. Podejście badania — uporządkowana lista kontrolna czynników technicznych, ekonomicznych, środowiskowych i społecznych połączona z przejrzystą metodą punktacji — stanowi wzorzec dla innych dużych kopalni powierzchniowych planujących rozwój. Sugeruje, że staranne planowanie może przekształcić zwiększanie mocy produkcyjnej z ryzyka w kontrolowaną, bardziej zrównoważoną ścieżkę.

Cytowanie: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

Słowa kluczowe: odkrywkowa eksploatacja węgla, planowanie kopalni, stabilność zboczy, rozszerzanie wydajności, ocena wielokryterialna