使用改性泥岩—粉煤灰地质聚合物塞棒材料对露天矿爆破性能和抑尘的综合提升

大型矿山的更清洁爆破

露天煤矿是能源供应的重要来源，但每次爆破碎石同时也会在空气中扬起大量粉尘，尤其是在干燥、多风的草原地区。那些粉尘损害工人肺部健康、加速设备磨损，并随风飘散至矿区之外，影响周边生态系统。本研究提出一种在爆破源头处同时抑尘并提升爆破效率的新方法：将当地的采矿废料制成一种快速硬化的塞棒材料，用于封堵孔口。

露天采矿中的粉尘问题

随着我国露天煤炭产量的增长，北方草原地区面临的环境压力也在加大。露天采场面积大、开挖深、夏季炎热干燥，强风易携带细颗粒。在这种条件下，爆破产生的粉尘和扰动后裸露岩石表面的扬尘是主要的空气质量问题。矿山通常依赖喷洒水或化学溶液来抑尘，但水资源短缺、喷洒成本高，而且表面很快干燥或再次被扰动后抑尘效果就消失。作者认为，应将抑尘与良好爆破视为一个整体问题，其关键在于爆孔封堵的密闭性。

把废石变成有用的塞棒

研究团队开发了一种新的“塞棒”材料——用于封闭爆孔顶部的填充体，由泥岩钻屑和粉煤灰这两种常见固体废料制成。他们将这些粉料与强碱性液体混合（硅酸钠溶液与氢氧化钠）并加入化学促凝剂，使浆体易于流动且在半小时内硬化。塞体内部形成微观凝胶并互相交织，构成致密、低孔隙率的网络，能与周围岩体紧密粘结。通过调节促凝剂与液体的用量，团队找到了一种既便于泵送又能快速成型并在爆破冲击下表现出强韧、略具柔性的配方。

新型塞棒如何应对爆炸

为观察该材料在类似爆破条件下的行为，研究人员进行了物理和数值实验。实验室试验（包括高速冲击试验）表明，地质聚合物塞棒比天然泥岩更具韧性：它不是粉碎性崩裂，而是以受控的“准延性”方式开裂，能吸收能量而不飞散。显微和X射线分析显示，交织的钙硅酸盐和钙铝硅酸盐凝胶填充孔隙、结合颗粒，形成紧密、富弹性的微观结构。对整个矿台进行的数值模拟（采用颗粒法追踪爆炸气体与岩体运动）显示：若塞棒过短，气体会过早泄放，能量向上喷出；若过长，能量被困导致岩体破碎不良。在他们的案例中，约2.5米的中等长度塞棒能在岩体中产生更均匀的断裂分布。

在工作矿山的现场试验

真正的考验是在一座运行中的露天煤矿进行的。研究者将传统泥岩塞棒与所开发的泥岩—粉煤灰地质聚合物在每组各20个爆孔中进行对比试验。无人机携带粉尘传感器穿过爆破烟羽采集数据，地面仪器监测振动和破碎岩石的粒级。使用新型塞棒的地点，峰值粉尘浓度约下降了40%。爆破后的岩堆中，过细和超大块比例减少，中等粒级增多，这类物料更易且更廉价地运输与破碎。爆破附近的地面振动略有降低，而且由于每次爆破更高效，矿方可以用更少的爆孔完成相同的掘运量。

矿山爆破的更环保路径

对非专业读者而言，关键结论是这种新型塞棒把当地废料——泥岩钻屑——转化为一种快速凝结且耐用的密封体，帮助爆破更清洁、同时显著降低瞬时产生的飞尘。通过使炸药能量在岩体内被更充分地约束并用于破碎岩石，地质聚合物塞棒是在粉尘形成源头上实现抑制，而非事后用水去追赶粉尘。这使得爆破对工人更安全、对周边社区和生态更友好，也提升了矿山操作的效率，是向更清洁、更绿色露天采矿迈出的务实一步。

引用: 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

关键词: 露天煤矿开采, 抑尘, 地质聚合物塞棒, 爆破优化, 固体废弃物利用