Комплексное повышение эффективности взрывных работ и подавления пыли в карьерах с использованием модифицированного геополимерного шпура из аргиллита и золоотвала

Более чистые взрывы для крупных карьеров

Открытые угольные карьеры важны для энергосистемы, но каждый взрыв, разрушающий породу, создаёт огромные облака пыли, особенно в сухих и ветреных степных районах. Эта пыль вредна для лёгких рабочих, ускоряет износ техники и переносится далеко за пределы карьера, влияя на окружающую экосистему. В исследовании рассматривается новый подход к борьбе с пылью у её истока во время взрывных работ, а также к повышению эффективности самих взрывов — путём превращения местных горных отходов в «умную», быстро отвердевающую пробку внутри шпура.

Проблемы пыли в открытой добыче

По мере роста добычи угля в открытых карьерах в Китае усиливаются и экологические нагрузки в северных степях. Карьеры широкие и глубокие, лета жаркие и сухие, а сильный ветер легко поднимает мелкие частицы. В таких условиях главным источником загрязнения воздуха является пыль от взрывов и нарушённых породных поверхностей. Часто шахты применяют опрыскивание водой или химическими растворами для подавления пыли после взрыва, но вода дефицитна, опрыскивание дорого и эффект быстро исчезает по мере высыхания или повторного нарушения поверхности. Авторы считают, что контролю пыли и качественному взрыву следует подходить как к единой задаче, где решающую роль играет герметичность шпуров.

Превращение хвостов породы в полезную пробку

Исследователи разработали новый материал для шпуров — пробки, которые закрывают верхнюю часть шпура — из аргиллитовых шламов бурения и золы-уноса, двух распространённых твердых отходов. Эти порошки смешивают с сильнокислотным (ошибка оригинала: сильнoщелочной) жидким составом на основе водного стекла и гидроксида натрия с добавлением химического ускорителя, чтобы суспензия легко текла и затем затвердевала менее чем за полчаса. Внутри пробки образуются микроскопические гели, которые переплетаются, формируя плотную сеть с низкой пористостью и прочной адгезией к окружающей породе. Путём регулировки количества ускорителя и жидкости команда подобрала рецепт, который сочетает удобную прокачиваемость, быстрое схватывание и прочное, слегка эластичное поведение при взрывной нагрузке.

Как новая пробка справляется со взрывом

Чтобы оценить поведение нового материала в условиях, приближённых к реальным взрывам, команда провела как лабораторные, так и численные эксперименты. Лабораторные испытания, включая высокоскоростные ударные тесты, показали, что геополимерная пробка прочнее природного аргиллита: вместо полного разрушения она трескается контролируемо, «квазипластично», поглощая энергию и не разлетаясь на осколки. Микроскопические и рентгеновские исследования выявили, что переплетённые гели кальций–силикатного и кальций–алюминий–силикатного типов заполняют поры и связывают частицы, создавая компактную, упругую микроструктуру. Численные симуляции целых уступов карьера, выполненные методом частиц для отслеживания газов и движения породы, показали: если геополимерная пробка слишком коротка, газ выходит преждевременно и энергия направляется вверх; если слишком длинна, энергия запирается и порода плохо разрушается. Промежуточная длина пробки — в их случае около 2,5 метров — даёт более равномерное распределение трещин по массиву породы.

Полевые испытания в действующем карьере

Истинная проверка прошла в действующем открытом угольном карьере. Исследователи сравнили традиционное заполнение шпуров аргиллитом и их новый геополимерный материал в наборах по 20 шпуров каждый. Беспилотники с датчиками пыли пролетали через облака взрывной пыли, а наземные приборы фиксировали вибрацию и размер дроблёной породы. Там, где применяли новую пробку, пиковые уровни пыли снизились примерно на 40 процентов. В отвале было меньше чрезмерно тонкой фракции и меньше очень крупных валунов, при этом больше материала приходилось в средний размер, который легче и дешевле транспортировать и дробить. Наземная вибрация рядом со взрывом немного уменьшилась, и поскольку каждый взрыв работал эффективнее, для перемещения того же объёма породы могло потребоваться меньше шпуров.

Более экологичный путь для взрывных работ в карьерах

Для неспециалистов главный вывод таков: новая пробка превращает местный отход — шламы аргиллита — в быстро схватывающуюся, долговечную герметизацию, которая помогает взрыву разрушать породу чище и одновременно существенно сокращает выбросы пыли в момент их образования. За счёт того, что взрывная энергия удерживается достаточно долго, чтобы совершить полезную работу внутри породы, геополимерный материал для шпуров уменьшает пыль в источнике, вместо того чтобы пытаться подавить её водой после факта. Это делает взрывные работы безопаснее для рабочих, менее вредными для соседних сообществ и экосистем и экономичнее для горнодобывающих компаний, предлагая практический шаг к более чистой и экологичной разработке карьеров.

Цитирование: 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

Ключевые слова: открытая добыча угля, подавление пыли, геополимерный шпур, оптимизация взрывных работ, утилизация твердых отходов