Hidroxiapatita: material alternativo en la inertización de polvo de carbón en minas subterráneas

Hydroxyapatite as an Alternative Inerting Material for Underground Coal- Dust Control

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Abstract (es)

Contexto: Las explosiones por polvo de carbón en suspensión constituyen uno de los riesgos más críticos en la minería subterránea. Para mitigar este fenómeno se aplica la inertización, medida preventiva basada en la dispersión de un material inerte que reduce la inflamabilidad y favorece la captura de partículas. Aunque la caliza ha sido el material de referencia tradicional, su alta sensibilidad a la humedad degrada su adherencia y dispersabilidad, lo que limita la homogeneidad de la mezcla y disminuye la eficacia del proceso. Objetivo: Evaluar el desempeño de la hidroxiapatita (HAp) como material alternativo para la inertización en minas de carbón subterráneas, analizando su viabilidad térmica y eficacia en la reducción del riesgo de explosividad en comparación con el polvo de caliza comercial.
Metodología: Se sintetizó HAp mediante dos rutas químicas: precipitación en vía húmeda (HAp-VH) y reacción en estado sólido (HAp-VS). La confirmación estructural se realizó por espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). Las propiedades térmicas (conductividad y capacidad calorífica) se determinaron mediante un analizador de propiedades térmicas TEMPOS, mientras que la eficacia de inertización y reflectancia se evaluaron con un medidor de explosividad CDEM-1000 sobre mezclas de polvo de carbón e inerte.
Resultados: El análisis por FTIR confirmó la formación de la fase cristalina de HAp mediante la presencia de las bandas de vibración características del ion fosfato ( 3 4 PO − ) y del grupo hidroxilo (OH-), sin evidenciar carbonatos residuales. En las pruebas térmicas, la HAp-VS registró una baja conductividad térmica (0,111 W ⋅ m-1 ⋅ K-1), mientras que la HAp-VH exhibió una estabilidad térmica análoga a la caliza. Las pruebas de explosividad en el CDEM-1000 demostraron que la HAp alcanzó niveles de inertización equivalentes a la caliza, logrando una respuesta no explosiva con proporciones de inerte del 92,5 % para HAp-VS y del 93,0 % para HAp-VH. Conclusiones: La hidroxiapatita sintetizada por ambas rutas químicas (estado sólido y vía húmeda) demostró una capacidad de inertización comparable a la del polvo de caliza convencional, requiriendo fracciones másicas de inerte superiores al 92,5 %. Estos hallazgos validan a la hidroxiapatita como un material alternativo técnicamente viable para la prevención de explosiones por polvo de carbón en minería subterránea.

Abstract (en)

Context: Dust explosions represent one of the most critical hazards in underground coal mining. To mitigate this risk, rock dusting (inertization) is applied as a preventive measure by dispersing an inert material to reduce dust flammability and promote particle agglomeration. Although limestone has been the standard reference material, its high moisture sensitivity impairs adherence and dispersibility, hindering uniform mixing and reducing overall process efficiency. Objective: To evaluate hydroxyapatite (HAp) as an alternative material for coal mine inertization by analyzing its thermal viability and effectiveness in reducing explosion hazards compared to commercial limestone powder.
Methodology: HAp was successfully synthesized via two chemical routes: wet chemical precipitation (HAp-VH) and solidstate reaction (HAp-VS). Structural characterization was confirmed using Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Thermal properties (thermal conductivity and heat capacity) were measured using a TEMPOS thermal properties analyzer, while inertization efficiency and reflectance were evaluated using a CDEM-1000 coal dust explosibility meter on coal-inert dust mixtures.
Results: FTIR spectra confirmed the synthesis of pure HAp by identifying characteristic vibration bands of phosphate ( 3 4 PO − ) and hydroxyl (OH-) groups, with no detectable residual carbonates. Thermal evaluations indicated that HAp-VS exhibited low thermal conductivity (0,111 W ⋅ m-1 ⋅ K-1), whereas HAp-VH showed thermal stability comparable to limestone. Explosibility tests on the CDEM-1000 demonstrated that hydroxyapatite achieved inertization levels equivalent to limestone, reaching nonexplosive thresholds at inert mass fractions of 92.5 % (HAp-VS) and 93.0 % (HAp-VH).
Conclusions: Hydroxyapatite synthesized through both chemical routes (solid-state and wet precipitation) demonstrated an inertization capacity comparable to conventional limestone powder, requiring inert fractions above 92.5 %. These results confirm that hydroxyapatite is a technically viable alternative for mitigating coal dust explosion risks in underground mining operations.