Omfattande förbättring av sprängprestanda och dammbekämpning i dagbrott med modifierat skiffer–flygasksgeopolymer som stemmingmaterial

Renare sprängningar för stora gruvor

Dagbrott för kol är viktiga för energiförsörjningen, men varje sprängning som krossar berg avger också stora dammmoln i luften, särskilt i torra, blåsiga gräslandsområden. Det dammet skadar arbetarnas lungor, sliter på maskiner och driver långt bort från gruvan och påverkar närliggande ekosystem. Denna studie undersöker ett nytt sätt att angripa dammet vid källan under sprängningen, samtidigt som varje explosion utnyttjas mer effektivt, genom att omvandla lokalt gruvavfall till en smart, snabbt härdande plugg i spränghålen.

Dammbesvär i dagbrottsgruvor

I takt med att Kinas dagbrottsbrytning av kol har ökat har också miljöbelastningen i dess norra gräsmarker växt. Dagbrotten är vida och djupa, somrarna är heta och torra och starka vindar transporterar enkelt fina partiklar. Under dessa förhållanden är damm från sprängningar och från störda bergytor det stora luftkvalitetsproblemet. Gruvor förlitar sig ofta på att spraya vatten eller kemiska lösningar för att slå ned damm efter en sprängning, men vatten är knapp, sprutning är kostsamt och effekten avtar snabbt när ytor torkar eller störs igen. Författarna menar att dammbekämpning och god sprängteknik bör ses som ett samlat problem, som styrs av hur väl spränghålen är förseglade.

Att förvandla avfallsberg till en användbar plugg

Forskarna utvecklade ett nytt stemmingmaterial — pluggen som tätar toppen av ett spränghål — gjort av skifferborrkax och flygaska, båda vanliga fasta avfallsprodukter. De blandar dessa pulvrer med en starkt alkalisk vätskeblandning av natriumsilikat (vatenglas) och natriumhydroxid samt en kemisk accelerator så att slurryn blir lättflytande och sedan stelnar på mindre än en halvtimme. Inuti pluggen bildas mikroskopiska geléer som flätas samman till ett tätt, lågporöst nätverk som binder starkt mot det omgivande berget. Genom att justera mängden accelerator och vätska fann teamet ett recept som balanserar lätt pumpbarhet med snabb härdning och en stark, något flexibel beteende när det utsätts för sprängning.

Hur den nya pluggen hanterar en explosion

För att se hur detta nya material beter sig under verklighetsnära sprängförhållanden genomförde teamet både fysiska och datorbaserade experiment. Labtester, inklusive högfartsimpaktprov, visade att geopolymerpluggen är segare än naturlig skiffer: istället för att splittras tenderar den att spricka på ett kontrollerat, "kvasi-duktilt" sätt och absorbera energi utan att pulveriseras. Mikroskopi och röntgenanalyser avslöjade att sammanflätade kalciumsilikat- och kalcium-aluminium-silikat-geléer fyller porer och binder partiklar, vilket skapar en kompakt, resilient mikrostruktur. Datorsimuleringar av hela gruvbänkar, med en partikelbaserad metod för att spåra explosionsgaser och bergens rörelse, visade att om geopolymerpluggen är för kort ventilerar gaserna tidigt och energi skjuter uppåt; om den är för lång fångas energi och berget bryts dåligt. En mellanlång plugg, i deras fall cirka 2,5 meter, ger en jämnare spridning av brott genom bergmassan.

Fälttester i en verksam gruva

Det verkliga testet gjordes i en aktiv dagbrottsgruva. Forskarna jämförde konventionell skifferstemming med deras nya skiffer–flygasksgeopolymer i uppsättningar om 20 spränghål vardera. Drönare med dammsensorer flög genom sprängmolnen, medan markinstrument övervakade vibrationer och storleken på det krossade berget. Där den nya pluggen användes sjönk toppnivåerna av damm med ungefär 40 procent. Det sprängda berganlaget innehöll färre alltför finkorniga partiklar och färre mycket stora block, med mer material i en medelstor fraktion som är lättare och billigare att lasta och krossa. Markvibrationerna nära sprängningen minskade något, och eftersom varje sprängning fungerade mer effektivt kunde gruvan använda färre spränghål för att flytta samma mängd berg.

En grönare väg för gruvsprängningar

För icke-specialister är huvudbudskapet att denna nya plugg omvandlar ett lokalt avfall — skifferkax — till en snabbhärdande, hållbar tätning som hjälper varje sprängning att krossa berg renare samtidigt som den avger betydligt mindre damm i luften. Genom att hålla explosionsenergin innesluten tillräckligt länge för att utföra nyttigt arbete i berget minskar geopolymer-stemmingmaterialet dammbildningen vid källan i stället för att försöka bekämpa den med vatten i efterhand. Det gör sprängning säkrare för arbetare, snällare mot närliggande samhällen och ekosystem och mer effektivt för gruvoperatörer, och erbjuder ett praktiskt steg mot renare, grönare dagbrottsdrift.

Citering: 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

Nyckelord: dagbrotts-kolbrytning, dammbekämpning, geopolymer-stemming, sprängningsoptimering, utnyttjande av fast avfall