Study on the properties and reasonable width of a phosphogypsum backfill body for gob-side entry retaining in a thick coal seam

पृथ्वी के नीचे गहराई में, जहाँ कोयले की परतें खनन के लिए प्रतीक्षा कर रही हैं, इंजीनियर एक निरंतर और महंगी दुविधा का सामना करते हैं। जब कोयले की एक परत निकाली जाती है, तो उसके ऊपर की छत स्वाभाविक रूप से ढहना चाहती है। भविष्य के काम के लिए सुरंगों को सुरक्षित रखने के लिए, खनिक पारंपरिक रूप से छत को थामे रखने के लिए बिना खनन किए गए कोयले की मोटी दीवारें पीछे छोड़ देते हैं। हालाँकि यह जमीन को स्थिर रखता है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण मात्रा में मूल्यवान संसाधन को हमेशा के लिए अंदर ही कैद कर देता है, जो सुरक्षा उपाय के रूप में भूमिगत रह जाता है। एक अधिक कुशल विकल्प, जिसे 'गॉब-साइड एंट्री रिटेनिंग' (gob-side entry retaining) के रूप में जाना जाता है, इसमें पिछले खनन ऑपरेशन द्वारा छोड़ी गई खाली जगह के किनारे के साथ ही एक नई सुरंग बनाई जाती है। कोयले की दीवार छोड़ने के बजाय, इंजीनियर एक विशेष भराव सामग्री का उपयोग करके एक कृत्रिम दीवार बनाते हैं। यह मानव निर्मित अवरोध एक कोयले के स्तंभ की तरह ही छत को सहारा देता है, लेकिन यह खनिकों को कोयले की परत के लगभग पूरे हिस्से को निकालने की अनुमति देता है, जिससे जो कभी अपशिष्ट था वह लाभ में बदल जाता है। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने में है जो पृथ्वी को थामने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, जिसे तंग जगहों में पंप करने के लिए पर्याप्त आसानी से बह सके, और जिसकी लागत पारंपरिक विकल्पों से कम हो।

चीन के गुइझो (Guizhou) में एक कोयला खदान में, शोधकर्ता एक ऐसे समाधान का परीक्षण कर रहे हैं जो एक औद्योगिक समस्या को खनन संपत्ति में बदल देता है। यह क्षेत्र भारी मात्रा में फॉस्फोजिप्सम (phosphogypsum) का उत्पादन करता है, जो उर्वरक निर्माण का एक उपोत्पाद है जो आमतौर पर विशाल, भूमि घेरने वाले ढेरों के रूप में पड़ा रहता है। यह सामग्री पर्यावरणीय जोखिम पैदा करती है, जिसमें फ्लोराइड और रेडियोधर्मी तत्वों के साथ भूजल को दूषित करने की संभावना शामिल है। गुइझो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के इंजीनियरों और स्थानीय खदान ऑपरेटरों के नेतृत्व वाली टीम ने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या इस प्रचुर मात्रा में उपलब्ध अपशिष्ट उत्पाद को इन कृत्रिम सुरंगों की दीवारें बनाने के लिए एक आदर्श सामग्री में बदला जा सकता है? उनके अन्वेषण ने यह निर्धारित करने के लिए कि क्या यह सामग्री काम करती है, और यह कि सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए दीवार को वास्तव में कितना मोटा होना चाहिए, प्रयोगशाला प्रयोगों को जटिल कंप्यूटर मॉडलिंग के साथ जोड़ा।

शोधकर्ताओं ने कच्चे फॉस्फोजिप्सम को, जो चपटे क्रिस्टल के सूखे पाउडर के रूप में आता है, एक उपयोगी निर्माण सामग्री में उपचारित करना शुरू किया। उन्होंने इसे पानी और कुछ रासायनिक योजकों (additives) के साथ मिलाया जिन्हें मिश्रण को सुचारू रूप से बहने और सही गति से जमने के लिए डिज़ाइन किया गया था। लैब में, उन्होंने दर्जनों विविधताओं का परीक्षण किया, जिसमें प्रवाह में सुधार के लिए 'सुपरप्लास्टिसाइज़र' नामक पदार्थ की मात्रा और मिश्रण के सख्त होने की गति को नियंत्रित करने के लिए एक क्षार (alkali) की मात्रा को समायोजित किया गया। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट संयोजन सबसे अच्छा काम करता है: एक कम-क्षारीय वातावरण के साथ प्रवाह बढ़ाने वाले रसायन की सटीक खुराक। इस नुस्खे ने मिश्रण को इतना तरल बनाए रखा कि इसे सुरंग की दीवार और खाली खदान के बीच के संकीर्ण स्थान में पंप किया जा सके, फिर भी यह 28 दिनों के बाद 12.5 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (compressive strength) के साथ एक ठोस संरचना में बदल गया। यह शक्ति भूमिगत खनन के लिए आवश्यक कठोर सुरक्षा मानकों को पूरा करने के लिए पर्याप्त थी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि स्थानीय अपशिष्ट वास्तव में पारंपरिक भराव सामग्रियों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प के रूप में कार्य कर सकता है।

सामग्री के गुणों के स्थापित होने के बाद, टीम इस प्रश्न की ओर मुड़ी कि आकार क्या होना चाहिए। खनन में, चौड़ाई का हर मीटर मायने रखता है। एक चौड़ी दीवार सुरक्षित होती है लेकिन इसके लिए अधिक सामग्री की आवश्यकता होती है और यह कोयला निष्कर्षण के लिए कम जगह छोड़ती है। एक संकीर्ण दीवार संसाधनों को बचाती है लेकिन ढहने का जोखिम पैदा करती है। 'स्वीट स्पॉट' (सही संतुलन) खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने दीवार द्वारा वह भार उठाने का अनुमान लगाने के लिए दो अलग-अलग गणितीय दृष्टिकोणों का उपयोग किया। एक विधि, जिसे उन्होंने अधिक रूढ़िवादी और सुरक्षित बताया, उसने सुरंग के ऊपर चट्टान की परतों के वजन और उस वजन द्वारा नई दीवार पर पड़ने वाले दबाव की गणना की। उन्होंने इसकी तुलना दूसरी विधि से की जो यह देखती थी कि चट्टान के व्यक्तिगत ब्लॉक कैसे खिसक सकते हैं और बैठ सकते हैं। गणनाओं ने दिखाया कि दीवार की आवश्यक मजबूती इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि खनन की जा रही कोयले की परत कितनी मोटी है और उसके ऊपर की चट्टान का वजन कितना है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कोयले की परत की मोटाई सबसे प्रभावशाली कारक थी; परत जितनी मोटी होगी, दीवार को उतना ही मजबूत होना पड़ेगा। अन्य कारक, जैसे कि सुरंग की चौड़ाई और चट्टान की परतों के बीच घर्षण, भी भूमिका निभाते हैं लेकिन वे कम महत्वपूर्ण थे।

वास्तविक दुनिया की स्थितियों में दीवार कैसा व्यवहार करेगी, इसे देखने के लिए टीम ने खदान के भूविज्ञान का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने सुरंग, आसपास की चट्टान और कृत्रिम दीवार का मॉडल बनाया, और फिर देखा कि दीवार की चौड़ाई बदलने पर जमीन कैसे हिलती है। उन्होंने एक मीटर से कम से लेकर तीन मीटर से अधिक तक की चौड़ाई का परीक्षण किया। सिमुलेशन ने एक स्पष्ट पैटर्न दिखाया: जब दीवार संकरी थी, तो सुरंग के किनारे की चट्टान काफी हिल रही थी और अंदर की ओर दब रही थी। जैसे-जैसे दीवार चौड़ी हुई, यह हलचल तेजी से कम हो गई। सबसे नाटकीय सुधार तब हुआ जब दीवार 0.8 मीटर की संकीर्णता से बढ़कर 2.0 मीटर की अधिक ठोस चौड़ाई तक पहुँची। 2.0 मीटर से परे, हलचल में कमी बहुत कम हो गई, जिससे पता चलता कि दीवार को और अधिक चौड़ा करने से कोई खास लाभ नहीं होगा। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि 2.0 मीटर की चौड़ाई पर, दीवार ऊपरी चट्टान को प्रभावी ढंग से सहारा दे सकती है, जिससे सामग्री की बर्बादी किए बिना सुरंग स्थिर रहती है।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ केवल सुरंग को खुला रखने तक ही सीमित नहीं हैं। एक ऐसी सामग्री का उपयोग करके जो सस्ती और स्थानीय स्तर पर उपलब्ध है, और यह निर्धारित करके कि 2.0-मीटर की दीवार पर्याप्त है, खदान बहुत अधिक कोयला निकाल सकती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि दीवार की चौड़ाई को अनुकूलित करके और इस नई सामग्री का उपयोग करके, खदान एक व्यापक और कम कुशल दीवार के उपयोग की तुलना में एक ही खनन फेस (mining face) से अतिरिक्त 9,681.1 टन कोयला निकाल सकती है। यह एक सीधा आर्थिक लाभ है, जो अपशिष्ट निपटान की समस्या को अतिरिक्त राजस्व के स्रोत में बदल देता है। जबकि यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सामग्री मजबूत है और चौड़ाई सुरक्षित है, लेखकों का कहना है कि दीवार के दीर्घकालिक स्थायित्व को सुनिश्चित करने और कई वर्षों तक भूजल के साथ सामग्री कैसे परस्पर क्रिया करती है, इसे पूरी तरह से समझने के लिए आगे और जांच की आवश्यकता है। फिलहाल, यह कार्य स्थानीय औद्योगिक उपोत्पाद का उपयोग करके कोयला खनन को अधिक कुशल और कम अपव्ययी बनाने के लिए एक ठोस तकनीकी आधार प्रदान करता है।