Аналіз світових і вітчізняних практик реалізації принципів циркулярної економіки при підземному видобуванні вугілля
DOI:
https://doi.org/10.33271/crpnmu/86.094Ключові слова:
підземне видобування вугілля, циркулярна економіка, бібліометричний аналіз, VOSviewer, шахтна порода, закладання виробленого простору, критично важлива мінеральна сировина, Західний Донбас.Анотація
Мета. Встановлення сучасних тенденцій розвитку принципів циркулярної економіки при підземному видобуванні вугілля на основі бібліометричного та тематичного аналізу наукових публікацій, систематизація світових і вітчизняних практик поводження з супутніми ресурсними потоками та визначення перспективних напрямів їх комплексного використання на вугільних шахтах України.
Методика. Застосовано бібліометричний, мережевий, тематичний і порівняльний аналіз наукових публікацій, індексованих у базі Scopus за 2000-2025 рр. Сформовано масив із 2931 унікальної публікації за шістьма тематичними пошуковими напрямами. За допомогою програмного забезпечення VOSviewer 1.6.20 проведено аналіз спільної появи авторських ключових слів, побудовано карту їх взаємозв’язків і виконано тематичну кластеризацію. На основі змістовного аналізу публікацій систематизовано світові технологічні практики та проведено їх порівняння з досвідом вугільних шахт України.
Результати. За результатами бібліометричного аналізу виділено вісім тематичних кластерів і систематизовано п’ять основних напрямів циркулярного використання ресурсів вуглевидобування: перероблення гірничих відходів, закладання виробленого простору, використання шахтних вод, утилізація метану та вилучення критично важливої мінеральної сировини. Встановлено зростання публікаційної активності за досліджуваними напрямами та визначено особливості їхнього технологічного розвитку. Порівняння світових і вітчизняних практик показало, що на шахтах Західного Донбасу вже застосовуються технології повторного використання шахтних вод та енергетичної утилізації метану, тоді як залишення шахтної породи під землею й вилучення критично важливих елементів потребують подальшого розвитку.
Наукова новизна. На основі бібліометричного аналізу та тематичного аналізу встановлено структуру наукових досліджень циркулярного використання ресурсів вуглевидобування, визначено взаємозв’язки між вісьмома тематичними кластерами та систематизовано п’ять основних технологічних напрямів. Виявлено відмінності між світовими тенденціями досліджень і практичним застосуванням відповідних технологій в Україні.
Практична значимість. Результати дослідження можуть бути використані для визначення перспективних напрямів комплексного використання супутніх ресурсів вугільних шахт України. Для умов Західного Донбасу визначено можливості застосування технологій залишення шахтної породи під землею, повторного використання шахтних вод, енергетичної утилізації метану та вилучення критично важливих елементів із вугілля і продуктів його видобування.
Посилання
1. IMARC Group. (2026). Mining waste management market report by mining type (surface, un-derground), mineral/metal, waste type and region, 2026–2034. https://www.imarcgroup.com/
mining-waste-management-market
2. Haibin, L., & Zhenling, L. (2010). Recycling utilization patterns of coal mining waste in China. Resources, Conservation and Recycling, 54(12), 1331–1340. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2010.05.005
3. Li, J., & Wang, J. (2019). Comprehensive utilization and environmental risks of coal gangue: A review. Journal of Cleaner Production, 239, 117946. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117946
4. Zhang, Y., & Ling, T. C. (2020). Reactivity activation of waste coal gangue and its impact on the properties of cement-based materials–A review. Construction and Building Materials, 234, 117424. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117424
5. Taha, Y., Benzaazoua, M., Hakkou, R., & Mansori, M. (2017). Coal mine wastes recycling for coal recovery and eco-friendly bricks production. Minerals Engineering, 107, 123–138. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.09.001
6. Li, M., Zhang, J., Li, A., & Zhou, N. (2020). Reutilisation of coal gangue and fly ash as under-ground backfill materials for surface subsidence control. Journal of Cleaner Production, 254, 120113. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120113
7. Song, Z., Cui, Z., Xia, H., Tang, J., & Wang, Z. (2010). The fundamental theoretical and engi-neering research on the green safe no coal pillar mining model by mainly using coal gangue back-fill. Journal of China Coal Society, 35(5), 705–710.
8. Howladar, M. F., & Karim, M. M. (2015). The selection of backfill materials for Barapukuria underground coal mine, Dinajpur, Bangladesh: insight from the assessments of engineering prop-erties of some selective materials. Environmental Earth Sciences, 73(10), 6153. https://doi.org/10.1007/s12665-014-3841-1
9. Yin, Y., Zhao, T., Zhang, Y., Tan, Y., Qiu, Y., Taheri, A., & Jing, Y. (2019). An innovative method for placement of gangue backfilling material in steep underground coal mines. Minerals, 9(2), 107. https://doi.org/10.3390/min9020107
10. Zhang, J. X., Tu, S. H., Cao, Y. J., Tan, Y. L., Xin, H. Q., & Pang, J. L. (2020). Research pro-gress of technologies for intelligent separation and in-situ backfill in deep coal mines in China. J. Min. Saf. Eng, 37(1), 1-10. https://doi.org/10.13545/j.cnki.jmse.2020.01.001
11. Hou, J., Guo, Z., Li, J., & Zhao, L. (2021). Study on triaxial creep test and theoretical model of cemented gangue-fly ash backfill under seepage-stress coupling. Construction and building mate-rials, 273, 121722. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121722
12. Xie, G., Liu, L., Suo, Y., Zhu, M., Yang, P., & Sun, W. (2024). Study on the green disposal of industrial high salt water and its performance as activator to prepare magnesium-coal based solid waste backfill material for mine. Journal of Cleaner Production, 452, 141933. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141933
13. Deng, X., Jiao, Y., Li, S., Zhou, N., An, Y., Yilmaz, E., ... & Liang, X. (2024). Evaluation of the migration and environmental effects of metal elements within cementitious gangue-fly ash backfill in underground coal mines. International Journal of Mining Science and Technology, 34(11), 1551-1562. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2024.11.002
14. Zhu, M., Liu, L., Wang, S., Wei, B., Rong, R., Zhang, W., ... & Jia, Q. (2025). Backfill-strip mining and CO2 mineralization sequestration in coal mine goaves: A synergetic method and its key technologies. Coal geology & exploration, 53(6), 143–155. https://doi.org/10.12363/issn.1001-1986.25.02.0109
15. Gu, D., Li, T., Li, J., Guo, Q., Jiang, B., Bian, W., & Bao, Y. (2021). Current status and pro-spects of coal mine water treatment technology in China. Coal Sci. Technol, 49(1), 11–18. https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2021.01.002
16. Thiruvenkatachari, R., Francis, M., Cunnington, M., & Su, S. (2016). Application of integrated forward and reverse osmosis for coal mine wastewater desalination. Separation and Purification Technology, 163, 181-188. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.02.034
17. Stewart, B. W., Capo, R. C., Hedin, B. C., & Hedin, R. S. (2017). Rare earth element resources in coal mine drainage and treatment precipitates in the Appalachian Basin, USA. International Journal of Coal Geology, 169, 28–39. https://doi.org/10.1016/j.coal.2016.11.002
18. Marcello, R. R., Galato, S., Peterson, M., Riella, H. G., & Bernardin, A. M. (2008). Inorganic pigments made from the recycling of coal mine drainage treatment sludge. Journal of environmen-tal management, 88(4), 1280-1284. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2007.07.005
19. Ntumba, N. C., Maree, J. P., & Ngole-Jeme, V. (2024). Valorisation of acid mine drainage through effective recovery of selected rare earth elements using cationic resins. Water SA, 50(4), 384-391. https://doi.org/10.17159/wsa/2024.v50.i4.4091
20. Bailey, M. T., Gandy, C. J., Watson, I. A., Wyatt, L. M., & Jarvis, A. P. (2016). Heat recovery potential of mine water treatment systems in Great Britain. International Journal of Coal Geolo-gy, 164, 77-84. https://doi.org/10.1016/j.coal.2016.03.007
21. Wang, H., Xu, Y., Yuan, L., Sun, Y., & Cai, Y. (2024). Analysis of geothermal heat recovery from abandoned coal mine water for clean heating and cooling: A case from Shandong, China. Renewable Energy, 228, 120659. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120659
22. Xevgenos, D., Tourkodimitri, K. P., Mortou, M., Mitko, K., Sapoutzi, D., Stroutza, D., ... & van Loosdrecht, M. C. M. (2024). The concept of circular water value and its role in the design and implementation of circular desalination projects. The case of coal mines in Poland. Desalination, 579, 117501. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117501
23. Zhou, Y., Lian, Y., Liu, T., Jin, X., Wang, Z., Liu, X., ... & Zhang, D. (2023). Impacts of high-quality coal mine drainage recycling for replenishment of aquatic ecosystems in arid regions of China: Bacterial community responses. Environmental Research, 223, 115083. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.115083
24. Su, S., Beath, A., Guo, H., & Mallett, C. (2005). An assessment of mine methane mitigation and utilisation technologies. Progress in energy and combustion science, 31(2), 123–170. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2004.11.001
25. Karacan, C. Ö., Ruiz, F. A., Cotè, M., & Phipps, S. (2011). Coal mine methane: a review of cap-ture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. In-ternational journal of coal geology, 86(2-3), 121–156. https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.02.009
26. Olajossy, A., Gawdzik, A., Budner, Z., & Dula, J. (2003). Methane separation from coal mine methane gas by vacuum pressure swing adsorption. Chemical Engineering Research and Design, 81(4), 474-482. https://doi.org/10.1205/026387603765173736
27. Su, S., & Agnew, J. (2006). Catalytic combustion of coal mine ventilation air methane. Fuel, 85(9), 1201-1210. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2005.11.010
28. Wang X., Zhou F., Ling Y., Xiao Y., Ma B., Ma X., Yu S., Liu H., Wei K., Kang J. Overview and Outlook on Utilization Technologies of Low-Concentration Coal Mine Methane. Energy & Fuels. 2021 https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c02312
29. Wang, X., Wei, K., Yan, S., Wu, Y., Kang, J., Feng, P., ... & Ling, Y. (2020). Efficient and sta-ble conversion of oxygen-bearing low-concentration coal mine methane by the electrochemical ca-talysis of SOFC anode: From pollutant to clean energy. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 268, 118413. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118413
30. Zhou, F., Xia, T., Wang, X., Zhang, Y., Sun, Y., & Liu, J. (2016). Recent developments in coal mine methane extraction and utilization in China: A review. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 31, 437–458. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.03.027
31. Zhou, H., Yang, Q., Cheng, Y., Ge, C., & Chen, J. (2014). Methane drainage and utilization in coal mines with strong coal and gas outburst dangers: a case study in Luling mine, China. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 20, 357–365. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2014.07.023
32. Wang, L., Sun, Y., Zheng, S., Shu, L., & Zhang, X. (2023). How efficient coal mine methane control can benefit carbon-neutral target: Evidence from China. Journal of Cleaner Production, 424, 138895. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138895
33. Miller, S. M., Michalak, A. M., Detmers, R. G., Hasekamp, O. P., Bruhwiler, L. M., & Schwietzke, S. (2019). China’s coal mine methane regulations have not curbed growing emis-sions. Nature Communications, 10(1), 303. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07891-7
34. Dai, S., & Finkelman, R. B. (2018). Coal as a promising source of critical elements: Progress and future prospects. International Journal of Coal Geology, 186, 155–164. https://doi.org/10.1016/j.coal.2017.06.005
35. Zhang, W., Rezaee, M., Bhagavatula, A., Li, Y., Groppo, J., & Honaker, R. (2015). A review of the occurrence and promising recovery methods of rare earth elements from coal and coal by-products. International Journal of Coal Preparation and Utilization, 35(6), 295–330. https://doi.org/10.1080/19392699.2015.1033097
36. Dai, S., Graham, I. T., & Ward, C. R. (2016). A review of anomalous rare earth elements and yttrium in coal. International journal of coal geology, 159, 82–95. https://doi.org/10.1016/j.coal.2016.04.005
37. Finkelman, R. B., Palmer, C. A., & Wang, P. (2018). Quantification of the modes of occurrence of 42 elements in coal. International Journal of Coal Geology, 185, 138–160. https://doi.org/10.1016/j.coal.2017.09.005
38. Dai S. et al. Petrology, mineralogy, and geochemistry of the Ge-rich coal from the Wulantuga Ge ore deposit, Inner Mongolia, China: New data and genetic implications. International Journal of Coal Geology. 2012. https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.10.012
39. Dai S. et al. Mineralogical and geochemical compositions of the coal in the Guanbanwusu Mine, Inner Mongolia, China: Further evidence for the existence of an Al (Ga and REE) ore deposit in the Jungar Coalfield. International Journal of Coal Geology. 2012 https://doi.org/10.1016/j.coal.2012.03.003
40. Franus, W., Wiatros-Motyka, M. M., & Wdowin, M. (2015). Coal fly ash as a resource for rare earth elements. Environmental Science and Pollution Research, 22(12), 9464-9474. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4111-9
41. Gollakota, A. R., Volli, V., & Shu, C. M. (2019). Progressive utilisation prospects of coal fly ash: A review. Science of the Total Environment, 672, 951-989. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.03.337
42. Taggart, R. K., Hower, J. C., Dwyer, G. S., & Hsu-Kim, H. (2016). Trends in the rare earth ele-ment content of U.S.-based coal combustion fly ashes. Environmental Science & Technology, 50(11), 5919–5926. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00085
43. Blissett, R. S., Smalley, N., & Rowson, N. A. (2014). An investigation into six coal fly ashes from the United Kingdom and Poland to evaluate rare earth element content. Fuel, 119, 236-239. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.11.053
44. Honaker, R. Q., Zhang, W., & Werner, J. (2019). Acid leaching of rare earth elements from coal and coal ash: Implications for using fluidized bed combustion to assist in the recovery of critical materials. Energy & Fuels, 33(7), 5971-5980. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00295
45. Zhang, W., & Honaker, R. (2019). Calcination pretreatment effects on acid leaching characteris-tics of rare earth elements from middlings and coarse refuse material associated with a bituminous coal source. Fuel, 249, 130-145. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.03.063
46. Yang, X., Werner, J., & Honaker, R. Q. (2019). Leaching of rare Earth elements from an Illinois basin coal source. Journal of Rare Earths, 37(3), 312-321. https://doi.org/10.1016/j.jre.2018.07.003
47. Mondal S. et al. Recovery of rare earth elements from coal fly ash using TEHDGA impregnated resin. Hydrometallurgy. 2019.https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.02.005
48. Mutlu, B. K., Cantoni, B., Turolla, A., Antonelli, M., Hsu-Kim, H., & Wiesner, M. R. (2018). Application of nanofiltration for Rare Earth Elements recovery from coal fly ash leachate: Perfor-mance and cost evaluation. Chemical Engineering Journal, 349, 309-317. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.05.080
49. Park, D., Middleton, A., Smith, R., Deblonde, G., Laudal, D., Theaker, N., ... & Jiao, Y. (2020). A biosorption-based approach for selective extraction of rare earth elements from coal byprod-ucts. Separation and Purification Technology, 241, 116726. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116726.
50. Malashkevych, D., Poimanov, S., Shypunov, S., & Yerisov, M. (2020). Comprehensive assess-ment of the mined coal quality and mining conditions in the Western Donbas mines. In E3S Web of Conferences (Vol. 201, p. 01013). EDP Sciences. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020101013
51. Petlovanyi, M. V., Sai, K. S., & Stoliarska, O. V. (2022). Problemy utvorennia pustykh porid pry vydobuvanni vuhillia u Zakhidnomu Donbasi: suchasnyi stan ta mozhlyvi shliakhy rozviazannia. Zbirnyk naukovykh prats NHU, 71, 79–90. https://doi.org/10.33271/crpnmu/71.079
52. Malashkevych, D. S., Kozii, Ye. S., Makurin, A. A., & Koshelenko, Ye. V. (2021). Kompleksne vykorystannia resursnoho potentsialu vuhledobuvnykh pidpryiemstv Zakhidnoho Donbasu: monohrafiia. Dnipro: Zhurfond. 219 p.
53. Malashkevych D., Petlovanyi M., Sai K., Zubko S. Research into the coal quality with a new selective mining technology of the waste rock accumulation in the mined-out area. Mining of Mineral Deposits. 2022. Vol. 16, No. 4. P. 103–114. https://doi.org/10.33271/mining16.04.103
54. Solodiankin, A. V., Gapeev, S. N., Vygodin, M. A., Voronin, S. A., & Mkrtchyan, S. V. (2017). Kreplenie kapitalnykh vyrabotok s ispolzovaniem tverdeyushchikh smesey na osnove shakhtnoy porody. Ugol Ukrainy, (3), 11–16.
55. DTEK Energy. (n.d.). Environmental protection. https://energo.dtek.com/en/sustainable-development/environment/
56. DTEK Group. (2021, January 27). Less emissions and more light: Coal mine methane is used to produce electricity at Mine Office Pershotravenske. https://dtek.com/en/media-center/news/menshe-vybrosov-i-bolshe-sveta-iz-shakhtnogo-metana-na-shu-pershotravenskoe-vyrabatyvayut-elektrichestvo-/
57. Global Methane Initiative. (2018). Ukraine coal sector update [Presentation]. https://www.globalmethane.org/resources/
58. PrAT “DTEK Pavlohradvuhillia”. (2024–2025). Dehazatsiini kompleksy № 1 ta № 2 shakhty imeni Heroiv Kosmosu: Zvity za rezultatamy pisliaproiektnoho monitorynhu. https://energo.dtek.com/ir/zvitnist/pavlogradvugillyz/gas-complex-2/
59. Ishkov, V. V., Kozii, Ye. S., Chernobuk, O. I., Pashchenko, P. S., Kozar, M. A., & Dreshpak, O. S. (2024). Spatial distribution of germanium in coal seam c₇н of the Pavlohradska mine field. Zbirnyk naukovykh prats Natsionalnoho hirnychoho universytetu, 76, 158–172. https://doi.org/10.33271/crpnmu/76.158
60. Ishkov, V. V., Kozii, Ye. S., & Chernobuk, O. I. (2022). Analiz vzaiemozviazku kontsentratsii vanadiiu i hermaniiu u vuhilnomu plasti с10v shakhty “Dniprovska” Zakhidnoho Donbasu. Hirny-cha heolohiia ta heoekolohiia, 2(5) https://doi.org/10.59911/mgg.2786-7994.2022.2(5).276073
61. Verkhovna Rada Ukrainy. (2024, December 18). Pro vnesennia zmin do deiakykh za-konodavchykh aktiv Ukrainy shchodo onovlennia pravovoho rehuliuvannia nadrokorystuvannia: Zakon Ukrainy № 4154-IX.https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/4154-20
62. Kabinet Ministriv Ukrainy. (2025, July 14). Pro zatverdzhennia perelikiv korysnykh kopalyn ta komponentiv stratehichnoho ta krytychnoho znachennia i perelikiv dilianok nadr (rodovyshch korysnykh kopalyn) stratehichnoho ta (abo) krytychnoho znachennia: Postanova № 845 (zi zmi-namy vid 9 bereznia 2026 roku).https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/845-2025-%D0%BF
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
All articles are published under the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Authors retain copyright and grant the journal right of first publication.
Authors are permitted and encouraged to deposit the final published version of their article, or the Author's Accepted Manuscript (AAM), in institutional or subject-specific open-access repositories (including the university's own institutional repository, CORE, Zenodo, or Figshare), ensuring maximum visibility, accessibility, and impact of the publication.
