A substituição de carvão por rejeito e a emissão zero de rejeito são um dos objetivos centrais da construção de minas verdes na China. A equipe dos professores Yang Kang e Zhang Qiang, da Universidade de Mineração e Tecnologia da China, publicou um estudo inovador na revista acadêmica internacional Applied Sciences, propondo pela primeira vez um novo modelo de mineração de carvão com preenchimento sólido baseado em uma arquitetura inteligente de ciclo fechado completo de "percepção-decisão-execução". Este resultado aborda os pontos críticos da baixa eficiência produtiva, alto uso de mão de obra e custos elevados da tecnologia tradicional de mineração com preenchimento sólido, implantando seis subsistemas principais em toda a cadeia, da superfície ao subsolo. Ele alcançou com sucesso a classificação inteligente por jig subterrâneo (taxa de carvão no rejeito <4%) e o ciclo fechado colaborativo de preenchimento inteligente da frente de trabalho, duplicando a produção mensal da frente de trabalho e aumentando a eficiência do preenchimento em 50%. Isso marca a transição da China de "seguidora" para "líder" global no campo da mineração verde e inteligente com preenchimento de carvão.
O duplo dilema do preenchimento verde e inteligente
A tecnologia de mineração de carvão com preenchimento sólido mostra vantagens significativas na disposição de resíduos sólidos, na mineração de carvão sob "três obstruções" (edificações, corpos d'água e ferrovias) e no controle de desastres dinâmicos. No entanto, a promoção e aplicação em larga escala desta tecnologia tem sido limitada por três gargalos principais: baixa eficiência produtiva, alto custo unitário de produção e alta intensidade de trabalho. A tecnologia tradicional de mineração com preenchimento sólido sofre de gargalos centrais, como baixo nível de operação autônoma e capacidade insuficiente de regulação adaptativa, com um baixo nível de inteligência, afetando seriamente sua eficácia e alcance de aplicação. Simultaneamente, a precisão e eficiência da classificação de rejeito no preenchimento tradicional com rejeito também não conseguem atender às exigências duplas de qualidade e eficiência do preenchimento inteligente na frente de trabalho, necessitando urgentemente de um salto tecnológico por meio de uma atualização inteligente sistêmica.
Quatro subsistemas inteligentes principais desconstroem precisamente toda a cadeia de preenchimento
A equipe de pesquisa, combinando revisão de literatura, análise teórica e medições de campo, propôs pela primeira vez uma arquitetura inteligente baseada em toda a cadeia de "superfície-alimentação-classificação subterrânea-frente de trabalho", construindo uma arquitetura de controle de energia em ciclo fechado centrada em "percepção-decisão-execução", equipada com seis subsistemas principais. Entre eles, os avanços tecnológicos de quatro subsistemas inteligentes-chave constituem os pilares centrais da inovação deste estudo.
1. Sistema inteligente de pré-tratamento de rejeito na superfície: controle na fonte e digitalização do processo
A etapa tradicional de preparação de material de preenchimento na superfície sofre há muito tempo de baixo nível de automação, poeira pesada e muita intervenção humana. A equipe desenvolveu de forma independente o sistema inteligente de pré-tratamento de rejeito na superfície, que integra quatro funções: lavagem de veículos autônomos, supressão inteligente de poeira por pulverização em pontos de transferência, medição dinâmica durante o transporte e regulação adaptativa do sistema de alimentação. Este sistema não apenas torna a origem do material completamente digitalizada e transparente, mas também elimina a poluição por poeira na fonte, fornecendo uma "primeira barreira" sólida para a operação estável dos processos subterrâneos.
2. Sistema inteligente de classificação por jig subterrâneo: taxa de carvão no rejeito <4%, desbloqueando a chave para minas "sem resíduos"
A classificação local de rejeito no subsolo é um elo crucial na mineração verde com preenchimento. A equipe desenvolveu com sucesso o sistema inteligente de classificação por jig subterrâneo, com frequência de jigagem ajustável inteligentemente, espessura do leito mensurável e controlável inteligentemente e volume de ar proporcionável inteligentemente. Este subsistema central alcançou dois efeitos revolucionários. Primeiro, uma melhoria revolucionária na precisão da classificação: o sistema controla a taxa de carvão no rejeito de forma estável abaixo de 4%, atingindo o nível avançado internacionalmente reconhecido para descarte de rejeito subterrâneo, evitando efetivamente o desperdício de recursos de carvão. Segundo, a conclusão do ciclo fechado da "circulação da mina": combinado com as funções de alarme de nível cheio e regulação do nível de material do sistema vertical de alimentação de rejeito superfície-subterrâneo, realiza verdadeiramente o objetivo central da mineração verde de que o rejeito não sai do subsolo nem da superfície, eliminando na raiz o dano de longo prazo das pilhas de rejeito na superfície ao ambiente ecológico.
3. Sistema inteligente de preenchimento sólido na frente de trabalho: produção mensal duplicada, eficiência aumentada em 50%
A equipe construiu uma arquitetura de controle inteligente em ciclo fechado para a frente de trabalho de preenchimento, baseada no acoplamento do controle PLC e do algoritmo PID. Dados de prática de engenharia mostram que este sistema duplica a produção mensal da frente de trabalho, aumenta a eficiência do preenchimento em 50% e reduz o número de operadores por turno em 8 a 10 pessoas. Este resultado notável deve-se principalmente à organização automática dos processos de mineração e preenchimento, à identificação inteligente do estado de interferência do mecanismo de compactação e à percepção em tempo real e otimização de decisão dos parâmetros de preenchimento, reduzindo significativamente a proporção entre a eficiência do preenchimento e a eficiência da mineração integrada, resolvendo com sucesso a contradição fundamental do "desequilíbrio entre mineração e preenchimento" na mineração tradicional com preenchimento.
4. Sistema de monitoramento de efeito de preenchimento inteligente e pressão de rocha: pressão de rocha controlável, subsidência zero na superfície
O objetivo final do preenchimento inteligente é alcançar o controle eficaz do movimento das camadas rochosas e da subsidência da superfície. A plataforma de monitoramento inteligente do efeito de preenchimento e a rede de feedback de pressão de rocha integradas ao sistema, através do monitoramento em tempo real da capacidade de suporte do material de preenchimento e da atividade do teto, realizam o controle preciso da pressão de rocha na frente de trabalho e a previsão precisa da deformação da superfície. A prática de engenharia mostra que o coeficiente de ponderação da pressão de rocha na frente de trabalho é de apenas 1,12, e a subsidência da superfície é controlada com precisão dentro da faixa permitida pelo padrão nacional de proteção de edifícios (estruturas) de primeira classe. Isso resolve fundamentalmente o problema da indústria de "projeto de preenchimento baseado em experiência, subsidência da superfície incontrolável" na mineração tradicional com preenchimento.
Reestruturando a lógica global da mineração verde e inteligente na indústria do carvão
O significado inovador deste resultado de pesquisa vai muito além do aumento de eficiência de uma única frente de trabalho ou mina de carvão; ele remodelará profundamente o futuro da indústria do carvão a partir de três dimensões estratégicas.
Primeiro, estabelecer um paradigma industrial de "ecossistema fechado" para a mineração de carvão. Esta tecnologia, através da classificação inteligente de rejeito subterrâneo e preenchimento in situ, constrói um sistema de ciclo fechado completo de "substituição de carvão por rejeito, emissão zero de rejeito", marcando que a mineração de carvão não é mais um simples processo de consumo de recursos, mas uma indústria circular de absorção de resíduos sólidos e troca de recursos. Este modelo resolve completamente o problema ecológico crônico do empilhamento de rejeito de carvão na superfície, que tem afligido centenas de grandes minas na China por décadas.
Segundo, superar as barreiras técnicas para a mineração segura em larga escala de carvão sob "três obstruções". Grandes quantidades de recursos de carvão de alta qualidade no leste da China têm sido cobertas por edifícios urbanos, corpos d'água, ferrovias e outras construções. Esta tecnologia, através do preenchimento inteligente preciso e controle do teto, controla a subsidência da superfície abaixo dos padrões limite, fornecendo um conjunto de soluções completo e rigorosamente verificado por engenharia para o desenvolvimento econômico, seguro e verde de enormes recursos de carvão sob "três obstruções", oferecendo uma importante reserva tecnológica para a segurança energética nacional.
Terceiro, definir o "padrão chinês" para minas verdes inteligentes globais. Este resultado já construiu uma arquitetura de padrão inteligente cobrindo toda a cadeia de "pré-tratamento na superfície - classificação subterrânea - preenchimento na frente de trabalho - monitoramento de pressão de rocha", e sistematizou os esquemas de configuração e estruturas tecnológicas-chave dos seis subsistemas principais em diferentes modos de preenchimento. A China já completou o salto crucial de "mecanização" para "inteligência" neste campo, fornecendo uma "solução chinesa" promovível e replicável para a transformação sustentável da indústria global do carvão.
A natureza modular e replicável desta tecnologia significa que ela possui alto potencial de adaptação para minas de carvão sob várias condições de produção e geológicas. A equipe de pesquisa aponta que, com a incorporação profunda de tecnologias de ponta, como reconhecimento de imagem e aprendizado de máquina na mineração com preenchimento (por exemplo, previsão visual do volume de rejeito e controle inteligente da taxa de preenchimento), e a realização da capacidade de operação autônoma de todo o processo por robôs de suporte de preenchimento inteligente, a mineração com preenchimento de carvão está prestes a entrar em um novo estágio de "completamente não tripulada e totalmente adaptativa em todo o processo" de minas inteligentes, fornecendo suporte tecnológico estratégico crucial para a transformação verde e de baixo carbono da indústria do carvão sob a orientação da meta de neutralidade de carbono.