Kyrylenko N. Comprehensive Assessment and Management of Environmental Risks of Transport Operations in Dimension Stone Quarries

Українська версія

Thesis for the degree of Candidate of Sciences (CSc)

State registration number

0425U000364

Applicant for

Specialization

  • 21.06.01 - Екологічна безпека

07-11-2025

Specialized Academic Board

Д 14.052.04

Zhytomyr Polytechnic State University

Essay

The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and practical problem - improving the environmental safety and fuel efficiency of transport operations in mining enterprises engaged in open-pit extraction of dimension stone. A significant share of energy consumption and emissions of CO₂, NOₓ, SO₂, and particulate matter (PM) in quarries is associated with inefficient transport logistics, particularly under conditions of steep road gradients, equipment overloading, and the absence of digital management systems. The first chapter substantiates the relevance of the research, defines the purpose, objectives, object, and subject of the study, and outlines its methodological framework. A comprehensive literature review is conducted, analyzing the current state of energy efficiency and environmental performance of transport processes in open-pit mining. Scientific approaches to digital logistics management are summarized, including the use of Fleet Management Systems (FMS), Internet of Things (IoT) technologies, Digital Twin solutions, and machine learning algorithms for predicting equipment condition, fuel consumption, and emissions. It is established that such tools are practically not used in Ukraine, although they are critically important under conditions of the global energy and climate crisis. The second chapter analyzes the specific features of the operation of machine–transport complexes in dimension stone quarries. Detailed characteristics of mining machinery, transportation routes, block geometry, road profiles, and seasonal operating conditions are provided. Based on data from quarrying enterprises in the Zhytomyr region, it is determined that the main factors of fuel inefficiency include increased road gradients, unstable surface quality, excessive idling, the technical condition of machinery, and the human factor. It is revealed that irrational organization of transport processes leads to significant economic losses and increased environmental pressure. In the third chapter, a comprehensive digital model for predicting fuel consumption, transportation cost, and related environmental risks is developed. The model considers road gradient, cargo mass, route length, adhesion coefficient, seasonal factors, and equipment condition. Calculations are implemented in the Google Colab environment with integration of results into Google Sheets. Verification is performed using MAPE and RMSE metrics as well as the Random Forest machine learning algorithm. The environmental assessment module evaluates CO₂, NOₓ, SO₂, and PM emissions based on standard emission factors. The model was tested at the Mezhyrichske and Kamianobridske deposits, confirming its efficiency: digital optimization of routes and maintenance schedules reduces fuel consumption by up to 31%, decreases CO₂ emissions by 30–42.5%, and increases the effective use of equipment. The fourth chapter proposes a digital toolkit for managing environmental risks of transport processes, integrating the developed model with platforms such as MineStar Edge, FMS, and Digital Twin. Recommendations are provided for the application of IoT sensors for automated monitoring and artificial intelligence algorithms for adaptive route planning and maintenance scheduling, as well as for the introduction of alternative fuels (including HVO), hybrid systems, and vehicle electrification. The socio-economic effect of implementing the proposed approach is assessed, demonstrating improved competitiveness of enterprises, creation of new jobs in digital and environmental audit sectors, reduced occupational health risks, and enhanced corporate environmental responsibility. The practical significance lies in the possibility of direct implementation of the digital model to increase the accuracy of fuel consumption forecasting, reduce idling and empty runs, lower emissions, and support managerial decision-making in logistics and maintenance planning. The obtained results can be used in industrial practice, scientific research, and educational programs in the fields of Mining Engineering and Environmental Safety, as well as in initiatives for digitalization of mining production. Overall, the dissertation represents an interdisciplinary study combining environmental safety, digital logistics, and mining engineering. For the first time, a digital model adapted to the conditions of dimension stone quarries has been developed, enabling simultaneous improvement of energy efficiency, reduction of emissions, and enhancement of equipment reliability. The results have applied significance and can be used in production, educational, and scientific contexts.

Research papers

Герасимчук Л.О., Кириленко Н.П., Валерко Р.А., Пацева І.Г. Екологічні ризики та їх оцінювання в контексті сталого розвитку видобувних підприємств. Екологічні науки. 2025. № 3 (60). с. 31–36. DOI: https://doi.org/10.32846/2306-9716/2025.eco.3-60.5

Герасимчук Л.О., Валерко Р.А., Кириленко Н.П., Пацева І.Г. Інтегрована модель оцінки та управління екологічними ризиками (на прикладі сфери транспортування гірничовидобувних підприємств). Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова. 2025. Т. 2, № 500. с. 344–352. DOI: https://doi.org/10.15589/znp2025.2(500).45

Ковалевич Л.А., Левицький В.Г., Білобров Д.М., Кириленко Н.П., Шамрай В.І. Динаміка споживання паливно-мастильних матеріалів самоскидами на Омелянівському родовищі гранітів. Технічна інженерія. 2021. Т. 1, № 87. с. 142–148. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2021-1(87)-142-148

Філіпова Н.П. (Кириленко Н.П.) Формування технологічних комплексів на родовищах блочного облицювального каменю. Вісник ЖДТУ. Серія: Технічні науки. 2016. Т. 3(78). с. 172–183

Коробійчук В.В., Кириленко Н.П., Махно А.М., Костенко В.К., Мамрай В.В. Інтеграція європейського досвіду оцінки якості природного каменю в Україну. Технічна інженерія. 2023. Т. 2, № 92. с. 217–224. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2023-2(92)-217-224

Кириленко Н., Шамрай В., Ковалевич Л., Лебля М., Махно А. Обґрунтування транспортних робіт в умовах блочного кар’єру. Науково–технічний журнал «ГЕОІНЖЕНЕРІЯ». 2021. № 5(2021). с. 14–24. DOI: https://doi.org/10.20535/2707-2096.5.2021

Kyrylenko N. Substantiation of the wheel loader employment at dimension stone quarries in Ukraine. Italian journal of engineering geology and environment (IJEGE). 2017. № 2. с. 57–62. DOI: https://doi.org/10.4408/IJEGE.2017-02.S-06. (Scopus, Q3)

Filipova N. (Kyrylenko N.), Rasputna T. Ukrainian dimension stone industry: problems and solutions. Geoingegneria Ambientale e Mineraria (GEAM). 2018. № 153. с. 5–12. (Scopus, Q3)

Leonets I., Kyrylenko N., Mykytenko S., Syroid Y. Impact assessment of natural stone processing techniques on the grain composition of sludge admixtures for press powder. Geoheritage. 2024. DOI: https://doi.org/10.1007/s12371-024-01030-z. (Scopus, Q1)

Karimbetova N. (Kyrylenko N.) Shaping of technological complexes on block facing stone quarries for conditions the Ukrainian shield. Logistyka. 2013. Т. 4. р. 194-201 (Collection of scientific articles on CD)

Філіпова Н.П. (Кириленко Н.П.), Котенко В.В. Аналіз чинників, які визначають ефективність роботи технологічних комплексів на кар’єрах блочного каменю. Розробка родовищ корисних копалин. Промислова екологія: тези XXXVII науково-практичної міжвузівської конференції, присвяченої Дню науки (Житомир, 12–13 травня 2011 р.). Житомир : Редакційно-видавничий відділ ЖДТУ, 2011. С. 309–310

Філіпова Н.П. (Кириленко Н.П.), Котенко В.В. Порівняльний аналіз технологічних способів відокремлення монолітів від масиву на родовищах високоміцних порід природного облицювального каменю. Тези XXXVI науково-практичної міжвузівської конференції, присвяченої Дню науки (Житомир, 12-13 травня 2011 р.). Житомир : Житомирський державний технологічний університет, 2011. С. 171–174

Karimbetova N. (Kyrylenko N.), Shapovalova O., Kobzar S. Measurement of the Movement Parameters of Elements of Diamond Wire Saw. Current trends in young scientists’ researches: Book of papers of All Ukrainian Scientific and Practical Conference (Житомир, 16 квітня 2015 р.). Zhytomyr : Publishing of Zhytomyr State Technological University, 2015. C. 50–53

Karimbetova N. (Kyrylenko N.) Substantiation of wheel loader employment at dimension stone quarries in Ukraine. 1st International Sustainable Stone conference (Каррара, 20 травня 2016 р.). Каррара, 2016

Bianco I., Bobba S., Karimbetova N. (Kyrylenko N.), Kobzar S. Environmental and economic justification of dimension granite cutting technologies. Current Trends in Young Scientists’ Research: Book of Papers of All Ukrainian Scientific and Practical Conference (Житомир, 14 квітня 2016 р.). Житомир, 2016. С. 38–42

Кириленко Н.П., Котенко В.В. Техніко-економічне обґрунтування комбінованих способів відокремлення монолітів високоміцних порід на кар’єрах блочного облицювального каменю. Перспективи розвитку гірничої справи та раціонального використання природних ресурсів; тези IV Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (Житомир, 12-13 квітня 2017 р.). Житомир : Житомирський державний технологічний університет, 2017. С. 1–3

Kyrylenko N., Korobiichuk V., Mamrai V. IoT for sustainable mining: EU-UA insights on research, education, and business. Building sustainable EU society for the future: Proceedings of the International Scientific Jean Monnet Conference (Загреб, 12-13 грудня 2024 р.). Zagreb : Faculty of Economics & Business, University of Zagreb, 2025. С. 49–62

Кириленко Н.П., Шамрай В.І. IoT для сталого гірництва: перспективи інтеграції в ЄС та Україні. Європейські студії в галузі гірництва та екології: тези Всеукраїнської науково-практичної конференції «Сучасні проблеми гірництва та будівництва» (Житомир, 21 листопада 2024 р.). Житомир, 2024. С. 112-113

Files

Similar theses