Optimeringsstudie om tvärgående brytningszonering under kapacitetsutvidgningsfasen för nästan horisontella dagbrottskolgruvor

Varför omformning av jättelika kolgruvor spelar roll

I stora delar av världen är el- och industriproduktion fortfarande starkt beroende av kol. I Kina förser omfattande dagbrott mycket av denna energi, men när dessa anläggningar växer kan de bli mindre säkra, dyrare och mer skadliga för landskapet. Denna artikel undersöker hur en sådan gruva i nordöstra Kina kan omorganisera sin layout för att säkert öka produktionen, samtidigt som man minskar avfall och utnyttjar mark och utrustning bättre. De idéer som utvecklas här är relevanta var som helst där stora öppna gruvor måste expandera utan att kostnader och risker skjuter i höjden.

Från ett stort schakt till smartare arbetszoner

Baoqing Chaoyang dagbrott för kol producerar i dag cirka 7 miljoner ton kol per år och siktar på att nå 11 miljoner. Gruvan bryter ett enda, nästan horisontellt kolskikt med en traditionell ”långsiktig” (longitudinell) layout: brytningsfronten löper i stort sett rakt och lastbilar transporterar brutet berg och jord till avfallsupplag. När produktionen ökar skapar denna uppställning problem. Den aktiva brytningslinjen är för kort, så schaktet måste avancera snabbt varje år, vilket belastar maskiner och tidsscheman. Interna avfallsupplag inne i schaktet fylls och deras låga, avplanade slänter avviker från konstruktionsvärden, vilket tyder på instabilitet och lämnar litet utrymme för extra material. Samtidigt är det svårt att utöka externa upplag eftersom det kräver mer mark. Författarna menar att gruvan, istället för att helt enkelt gräva snabbare i samma mönster, bör delas in i flera bredare ”tvärgående” zoner som bättre följer kolskiktet och avlastar trycket på avfallsupplagen.

Att hitta den optimala längden för brytningsfronten och kostnaden

En central fråga är: hur lång bör den aktiva brytningsfronten vara? Om den är för kort måste schaktet avancera mycket snabbt, vilket ökar släntriskerna och får lastbilar att åka upp och ner i större omfattning. Är den för lång kan utrustningen spridas tunt och transportavstånden inne i schaktet öka, vilket också driver upp kostnaderna. Teamet byggde en enkel geometrisk och kostnadsmodell som kopplar årlig kolproduktion, kolskiktets tjocklek och densitet, tillåten advancedhastighet och avfallsbergets tjocklek till både avtäcktionskvoten (hur mycket berg som måste flyttas per ton kol) och kostnaderna för sprängning, grävning och transport. De visar att den totala avtäcktionskostnaden beter sig som en grunt U-formad kurva när arbetslinjens längd ökar: mycket korta linjer är dyra eftersom avfallet måste flyttas från branta ändväggar, medan mycket långa linjer ökar transportavstånden. För målet 11 miljoner ton per år indikerar modellen en ekonomisk arbetslinjelängd mellan cirka 1,35 och 2,05 kilometer, med en bästa punkt kring 1,35 kilometer och en årlig avancering på ungefär 400–500 meter. Detta intervall styr sedan hur bred varje ny brytningszon bör vara.

Att vända gruvan sidledes för säkrare avfallsslänter

Därefter undersöker författarna vad som händer om gruvan gradvis vrids från långsiktig till sidoläge (tvärgående), så att brytning och deponering i större utsträckning följer kolskiktets milda lutning. Med en förenklad bild av släntstabilitet förklarar de att i det nuvarande mönstret ligger interna avfallsupplag tvärs mot lutningen i de underliggande berglagren. Den geometrin tenderar att öka den effektiva nedförsbackevinkeln som styr glidning och förkortar den potentiella glidriktningen, vilket gör avfallsstockar mer benägna att glida. I en tvärgående layout byggs interna upplag mer i linje med den naturliga lutningsriktningen. Det minskar den nedåtriktade komponenten, förlänger glidriktningen och ökar motstånden i berg och avfall. Enkelt uttryckt kan samma mängd avfall staplas i former och riktningar som är mindre benägna att haverera. Denna förbättrade geometri ordnar också dräneringen bättre och gör bänkarna mer regelbundna, vilket båda är viktiga för släntens långsiktiga hälsa.

Jämförelse av fyra förslag med ett rättvist poängsystem

Gruvplanerarna utformar sedan fyra olika sätt att dela in schaktet i stora zoner, var och en med sin egen sekvens för avancering och avfallsdeponering. Varje schema har praktiska för- och nackdelar: vissa gynnar kortsiktig bekvämlighet och kortare lastbilsdrag, andra föredrar längre livslängd eller enklare layouter för framtida storskalig utrustning. För att välja mellan dem konstruerar författarna ett åttapunkts betygssystem som väger geologi, bergstyrka, vattenförhållanden, ytprofil, ingenjörsinsats, ekonomi, miljöstörning och sociala konsekvenser såsom markförvärv. Istället för att förlita sig på en enda indikator eller en rent subjektiv rangordning blandar de två typer av viktningsmetoder: expertdom (Analytic Hierarchy Process) och en "entropimetod" som ser på hur mycket information varje indikator innehåller. De matar sedan in dessa viktade faktorer i ett ramverk kallat Unascertained Measure Theory, som hanterar blandade tal och expertratingar och tilldelar varje schema en konfidensnivå som "utmärkt", "bra", "godtagbar" eller "dålig".

Vinnande plan och vad den ger

Enligt denna kombinerade utvärdering framstår det andra schemat som klart bäst. Det omorganiserar det ursprungliga brytningsområdet i fyra breda tvärgående zoner, med långa men fortfarande hanterbara arbetslinjer och en layout väl lämpad för framtida kontinuerliga eller halvkontinuerliga system som krossar- och transportband inne i schaktet. Detta alternativ får en konfidenspoäng på ungefär 0,71 i toppkategorin "utmärkt", betydligt före de andra. Under sin livslängd skulle det öppna upp omkring 971 miljoner ton kol, med en genomsnittlig avtäcktionskvot på 5,8 kubikmeter berg per ton kol och en maximal brukstid på mer än 34 år. Även om de interna transportavstånden i absoluta tal är längre, ger kostnadsfördelarna när de fördelas över den större och mer effektiva produktionen fortfarande den lägsta totalkostnaden per ton och förbättrade säkerhetsmarginaler.

Vad detta betyder bortom en gruva

För en icke-specialist är huvudbudskapet att hur man skär upp och arbetar ett jättelikt dagbrott kan vara lika viktigt som hur mycket kol som ligger under. Genom att matematiskt finjustera längden på den aktiva brytningsfronten och omorientera gruvan i tvärgående zoner som ligger i linje med geologin är det möjligt att öka produktionen samtidigt som både avfall och risk minskar. Studiens tillvägagångssätt — en strukturerad checklista över tekniska, ekonomiska, miljömässiga och sociala faktorer kombinerad med en transparent poängmetod — erbjuder en mall för andra stora öppna gruvor som står inför expansion. Det antyder att noggrann planering kan förvandla kapacitetsökning från ett vågspel till en styrd, mer hållbar väg.

Citering: 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

Nyckelord: dagbrottskolbrytning, gruvplanering, släntstabilitet, kapacitetsutvidgning, flerkriterieutvärdering