Kompleksowe usprawnienie wydajności strzałów i tłumienia pyłu w kopalniach odkrywkowych przy użyciu zmodyfikowanego materiału uszczelniającego geopolimerycznego z mułowca i popiołu lotnego

Czystsze strzelania dla dużych kopalń

Kopalnie odkrywkowe węgla są kluczowe dla zaopatrzenia w energię, ale każdy strzał, który rozbija skałę, wyrzuca też ogromne chmury pyłu w powietrze, zwłaszcza na suchych, wietrznych terenach stepowych. Ten pył szkodzi płucom pracowników, przyspiesza zużycie maszyn i przemieszcza się daleko poza teren kopalni, wpływając na pobliskie ekosystemy. W niniejszym badaniu przedstawiono nowe podejście do ograniczania pyłu u źródła podczas strzelań, a jednocześnie poprawy efektywności wybuchu, przekształcając lokalne odpady wydobywcze w inteligentny, szybko twardniejący korek wewnątrz otworów strzałowych.

Problemy z pyłem w górnictwie odkrywkowym

W miarę wzrostu wydobycia węgla odkrywkowego w Chinach nasiliły się też presje środowiskowe na północnych stepach. Wyrobiska są szerokie i głębokie, lata gorące i suche, a silne wiatry łatwo unoszą drobne cząstki. W tych warunkach pył pochodzący ze strzelań i z naruszonych powierzchni skalnych stanowi główny problem jakości powietrza. Kopalnie często polegają na zraszaniu wodą lub roztworami chemicznymi, aby stłumić pył po strzale, jednak woda jest deficytowa, zraszanie kosztowne, a efekt szybko zanika, gdy powierzchnie wysychają lub są ponownie zakłócone. Autorzy argumentują, że kontrola pyłu i poprawne prowadzenie strzelań powinny być traktowane jako jedno zintegrowane zagadnienie, zależne od tego, jak dobrze uszczelnione są otwory strzałowe.

Przekształcanie odpadów skalnych w użyteczny korek

Naukowcy opracowali nowy materiał „stemmingowy” — korek uszczelniający wierzch otworu strzałowego — z mułowcowych wiórów wiertniczych i popiołu lotnego, obu powszechnych odpadów stałych. Mieszają te proszki z silnie zasadowym płynem na bazie szkła wodnego i wodorotlenku sodu oraz dodatkiem przyspieszacza, dzięki czemu zawiesina łatwo płynie, a następnie twardnieje w mniej niż pół godziny. Wewnątrz korka tworzą się mikroskopijne żele, które splatają się w gęstą, nisko-porowatą sieć ściśle wiążącą się z otaczającą skałą. Poprzez regulację ilości przyspieszacza i płynu zespół znalazł recepturę równoważącą łatwość pompowania, szybkie wiązanie i silne, nieco elastyczne właściwości podczas uderzenia przez wybuch.

Jak nowy korek reaguje na wybuch

Aby sprawdzić zachowanie nowego materiału w warunkach zbliżonych do rzeczywistych strzałów, zespół przeprowadził eksperymenty fizyczne i symulacje komputerowe. Testy laboratoryjne, w tym testy udarowe o dużej prędkości, wykazały, że korek geopolimeryczny jest bardziej odporny niż naturalny mułowiec: zamiast rozpadać się na kawałki, ma tendencję do pękania w kontrolowany, „prawie plastyczny” sposób, pochłaniając energię bez rozpadania się na elementy. Badania mikroskopowe i rentgenowskie ujawniły, że splecione żele krzemianowo-wapniowe i krzemianowo-glinowo-wapniowe wypełniają pory i łączą cząstki, tworząc zwartą, elastyczną mikrostrukturę. Symulacje komputerowe całych ławic wyrobiska, z użyciem metody cząstek do śledzenia gazów wybuchowych i ruchu skał, pokazały, że jeśli korek geopolimeryczny jest zbyt krótki, gaz uchodzi przedwcześnie i energia kieruje się ku górze; jeśli jest zbyt długi, energia zostaje uwięziona i skała pęka słabo. Długość korka pośrednia — w ich przypadku około 2,5 metra — zapewnia bardziej równomierne rozłożenie spękań w masywie skalnym.

Badania terenowe w działającej kopalni

Próba polowa została przeprowadzona w działającej odkrywkowej kopalni węgla. Naukowcy porównali konwencjonalne uszczelnienie mułowcem z ich nowym geopolimerem z mułowca i popiołu lotnego na zestawach po 20 otworów strzałowych. Drony z czujnikami pyłu przelatywały przez obłoki powstałe po strzale, a przyrządy naziemne monitorowały drgania i rozmiary odłamków skalnych. Tam, gdzie zastosowano nowy korek, maksymalne poziomy pyłu spadły o około 40 procent. Stos skalnych odłamków zawierał mniej nadmiernie drobnych cząstek i mniej bardzo dużych głazów, a więcej materiału w średniej frakcji, którą łatwiej i taniej transportować oraz kruszyć. Drgania gruntu w pobliżu strzału były nieco zmniejszone, a ponieważ każdy strzał działał bardziej efektywnie, kopalnia mogła używać mniejszej liczby otworów, aby przesunąć taką samą ilość urobku.

Zielona ścieżka dla strzelań w kopalniach

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy przekaz jest taki: nowy korek przekształca lokalny odpad — wióry mułowcowe — w szybko wiążące, trwałe uszczelnienie, które pomaga strzałom efektywniej rozbijać skałę, jednocześnie emitując znacznie mniej pyłu. Dzięki utrzymaniu energii wybuchu skoncentrowanej wystarczająco długo, by wykonać pożyteczną pracę w skale, materiał geopolimeryczny redukuje pył już w chwili jego powstawania, zamiast próbować go tłumić wodą później. To sprawia, że strzelania są bezpieczniejsze dla pracowników, łagodniejsze dla pobliskich społeczności i ekosystemów oraz bardziej efektywne dla operatorów kopalni, oferując praktyczny krok w kierunku czystszego, bardziej ekologicznego wydobycia odkrywkowego.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: wydobycie węgla odkrywkowe, tłumienie pyłu, geopolimerowe uszczelnienie, optymalizacja strzałów, wykorzystanie odpadów stałych