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

Diep onder de aarde, waar kolenlagen wachten om gewonnen te worden, worden ingenieurs geconfronteerd met een hardnekkig en kostbaar dilemma. Wanneer een laag kolen wordt gewonnen, wil het dak erboven van nature instorten. Om de tunnels veilig te houden voor toekomstig werk, laten mijnwerkers traditioneel dikke wanden van ongewonnen kolen achter om het plafond omhoog te houden. Hoewel dit de grond stabiel houdt, laat het ook een aanzienlijk deel van de waardevolle hulpbron voor altijd opgesloten achter, gevangen onder de grond als een veiligheidsmaatregel. Een efficiënter alternatief, bekend als gob-side entry retaining, houdt in dat er een nieuwe tunnel wordt gegraven direct langs de rand van de lege ruimte die door de vorige mijnbouwoperatie is achtergelaten. In plaats van een kolenwand achter te laten, bouwen ingenieurs een kunstmatige wand met behulp van een speciaal vulmateriaal. Deze door de mens gemaakte barrière ondersteunt het dak net zo goed als een kolenpilaar zou doen, maar het stelt mijnwerkers in staat om bijna alle kolen uit de laag te winnen, waardoor wat voorheen afval was, wordt omgezet in winst. De uitdaging ligt in het vinden van een materiaal dat sterk genoeg is om de aarde omhoog te houden, gemakkelijk genoeg stroomt om in nauwe ruimtes gepompt te worden, en minder kost dan traditionele opties.

In een kolenmijn in Guizhou, China, hebben onderzoekers een oplossing getest die een industrieel probleem omzet in een mijnbouwactiva. De regio produceert enorme hoeveelheden fosfogips, een bijproduct van de kunstmestproductie dat normaal gesproken in enorme, landconsumperende hopen ligt. Dit materiaal vormt milieuvoordelen, waaronder het potentieel om het grondwater te vervuilen met fluoride en radioactieve elementen. Het team, onder leiding van ingenieurs van het Guizhou Institute of Technology en lokale mijnbouwbedrijven, stelde een eenvoudige vraag: kon dit overvloedige afvalproduct worden getransformeerd tot het perfecte materiaal voor het bouwen van deze kunstmatige tunnelwanden? Hun onderzoek combineerde laboratoriumexperimenten met complexe computermodellering om niet alleen te bepalen of het materiaal werkte, maar ook exact hoe dik de wand moest zijn om de veiligheid te garanderen.

De onderzoekers begonnen door de ruwe fosfogips, die arriveert als een droog poeder van schilferige kristallen, te behandelen tot een bruikbaar constructiemateriaal. Ze mengden het met water en kleine hoeveelheden chemische additieven die ontworpen zijn om het mengsel soepel te laten stromen en op de juiste snelheid te laten stollen. In het lab testten ze tientallen variaties, waarbij ze de hoeveelheden van een stof genaamd superplastificeerder aanpasten om de vloeiendheid te verbeteren en een alkali om te controleren hoe snel het mengsel uithardde. Ze ontdekten dat een specifieke combinatie het beste werkte: een omgeving met een lage alkaliteit gekoppeld aan een precieze dosis van het stromingsbevorderende chemische middel. Dit recept zorgde ervoor dat het mengsel vloeibaar genoeg bleef om in de smalle ruimte tussen de tunnelwand en de lege mijn te worden gepompt, terwijl het uithardde tot een solide structuur met een druksterkte van 12,5 megapascal na 28 dagen. Deze sterkte was voldoende om te voldoen aan de strenge veiligheidsnormen die vereist zijn voor ondergrondse mijnbouw, wat bewees dat het lokale afval inderdaad een levensvatbaar vervanging kon dienen voor conventionele vulmaterialen.

Nadat de eigenschappen van het materiaal waren vastgesteld, richtte het team zich op de vraag van de omvang. In de mijnbouw telt elke meter breedte. Een bredere wand is veiliger maar vereist meer materiaal en laat minder ruimte over voor kolenwinning. Een smallere wand bespaart middelen maar brengt het risico op instorting met zich mee. Om het ideale evenwicht te vinden, gebruikten de onderzoekers twee verschillende wiskundige benaderingen om de belasting te schatten die de wand zou moeten dragen. Eén methode, die zij als conservatiever en veiliger beschreven, berekende het gewicht van de bovenliggende roklagen en hoe dat gewicht op de nieuwe wand zou drukken. Ze vergeleken dit met een tweede methode die keek naar hoe individuele blokken gesteente zouden kunnen verschuiven en zakken. De berekeningen toonden aan dat de vereiste sterkte van de wand sterk afhankelijk was van de dikte van de kolenlaag die werd gewonnen en het gewicht van de rots erboven. De onderzoekers ontdekten dat de dikte van de kolenlaag de meest invloedrijke factor was; hoe dikker de laag, hoe sterker de wand moest zijn. Andere factoren, zoals de breedte van de tunnel zelf en de wrijving tussen roklagen, speelden een rol maar waren minder kritisch.

Om te visualiseren hoe de wand zich zou gedragen onder realistische omstandigheden, bouwde het team een gedetailleerde computersimulatie van de geologie van de mijn. Ze modelleerden de tunnel, de omliggende rots en de kunstmatige wand, en observeerden vervolgens hoe de grond verschoof wanneer de breedte van de wand veranderde. Ze testten breedtes variërend van minder dan een meter tot meer dan drie meter. De simulatie onthulde een duidelijk patroon: wanneer de wand smal was, bewoog de rots aan de zijde van de tunnel aanzienlijk naar binnen. Naarmate de wand breder werd, nam deze beweging scherp af. De meest dramatische verbetering vond plaats toen de wand groeide van een smalle 0,8 meter naar een meer substantiële 2,0 meter. Boven de 2,0 meter werd de vermindering van de beweging veel kleiner, wat suggereerde dat het maken van de wand nog breder slechts beperkte meerwaarde zou bieden. De computermodellen toonden aan dat bij een breedte van 2,0 meter de wand de bovenliggende rots effectief kon ondersteunen, waardoor de tunnel stabiel bleef zonder materiaal te verspillen.

De implicaties van deze bevinding strekken zich uit voorbij het enkel openhouden van een tunnel. Door een materiaal te gebruiken dat goedkoop en lokaal beschikbaar is, en door vast te stellen dat een wand van 2,0 meter voldoende is, kan de mijn aanzienlijk meer kolen terugwinnen. De onderzoekers berekenden dat door de wandbreedte te optimaliseren en dit nieuwe materiaal te gebruiken, de mijn 9.681,1 ton extra kolen kan terugwinnen uit een enkele mijngesteld vergeleken met het gebruik van een bredere, minder efficiënte wand. Dit vertegenwoordigt een direct economisch voordeel, waarbij een afvalverwerkingsprobleem wordt omgezet in een bron van extra inkomsten. Hoewel de studie bevestigt dat het materiaal sterk is en de breedte veilig is, merken de auteurs op dat verder onderzoek nodig is om de langetermijnduurzaamheid van de wand te waarborgen en om volledig te begrijpen hoe het materiaal gedurende vele jaren interageert met het grondwater. Voor nu biedt het werk een solide technische basis voor het gebruik van dit lokale industriële bijproduct om de kolenwinning efficiënter en minder verspillend te maken.