Invloed van gecementeerd pasta-achtervulling op mechanische eigenschappen en stabiliteit van steenkoolpilaren bij open-put highwall-mining

Mijnafval omvormen tot een ondersteunend systeem

Open-pit kolenmijnen laten vaak grote hoeveelheden waardevolle steenkool onder hun laatste taluds achter, omdat het verwijderen daarvan de grond kan verzwakken en aardverschuivingen kan veroorzaken. Deze studie onderzoekt hoe een speciaal ontwikkelde "gecementeerde pasta-achtervulling" — grotendeels gemaakt van mijnbouwafval — kan worden gebruikt om deze hellingen veilig te ondersteunen en tegelijkertijd veel meer steenkool te winnen. Voor lezers die geïnteresseerd zijn in schoner grondstoffengebruik, veiliger mijnbouw en creatieve recycling van industrieel afval, biedt dit werk een concreet voorbeeld van hoe engineering een last kan omzetten in een structureel voordeel.

Waarom steenkoolpilaren van belang zijn voor veiligheid

Bij highwall-mining snijden machines horizontale gangen in het vrijliggende steenkoolbed langs de putwand en laten daarbij vaste kolommen steenkool — pilaren genoemd — staan om het overliggende gesteente te dragen. Deze pilaren zijn cruciaal om te voorkomen dat de helling vervormt of instort, maar door ze te laten staan blijft een groot deel van de steenkool onontgonnen. In een Chinese open-pit mijn leidde vroeg gebruik van highwall-mining zonder achtervulling tot bodemzetting op terrassen en rijwegen, wat zorgen opriep over de langetermijnstabiliteit. De vraag die de onderzoekers stelden was: kunnen we gedeeltelijk de rol van deze steenkoolpilaren vervangen door de uitgegraven ruimtes te vullen met een gecontroleerde, gecementeerde pasta, zodat meer steenkool veilig kan worden verwijderd?

Bouwen en breken van miniatuurpilaren

Om dit aan te pakken reproduceerde het team het steenkool–en–achtervullingssysteem in het laboratorium met kubusvormige steenkoolmonsters afkomstig uit een echte mijn. Ze goten gecementeerde pasta gemaakt van vermaald bergafval, vliegas, cement en water aan beide zijden van de steenkool, en vormden zo een "achtervulling–steenkoolpilaar–achtervulling"-sandwich. Door twee hoofdfactoren te variëren — de hoogte van de achtervulling ten opzichte van de steenkoolpilaar (de achtervullingsverhouding) en de sterkte van de pasta zelf — konden ze bepalen hoeveel ondersteuning de achtervulling daadwerkelijk bood. Deze proefstukken werden vervolgens samengedrukt in een sterke stalen koker die de strakke omsluiting in een echte highwall nabootste, terwijl instrumenten registreerden hoe de steenkool en achtervulling reageerden naarmate de belasting toenam.

Hoe achtervulling het falingsgedrag van steenkool verandert

De spannings–rekcurven — de vingerafdrukken van hoe een materiaal belasting draagt — toonden een vijfstappenverhaal: verdichting van poriën, elastisch dragen door de steenkool, ontstaan en samensmelten van scheuren, de hoofdschade van de steenkool, en ten slotte, in sommige gevallen, dat de steenkool dankzij de beperkende achtervulling nog steeds belasting droeg. Bij lage achtervullingsverhoudingen en lage pastasterkte gedroeg de steenkool zich slechter dan steenkool zonder achtervulling; de achtervulling omsloot de pilaar niet volledig en verplaatste het falen naar het bovenste, minder ondersteunde deel, dat explosief in fragmenten brak. Naarmate de achtervulling hoger en sterker werd, veranderde het faalpatroon. Scheurvorming werd gelijkmatiger door de pilaar verdeeld, sterke zijwaartse uitpuiling nam af, en bij een achtervullingsverhouding van 95% met sterke pasta vertoonde de steenkool slechts geringe oppervlaktescheuren en bleef grotendeels intact.

Van passieve vulling naar actieve partner

Een belangrijke bevinding is dat achtervulling meer doet dan alleen ruimte innemen. Wanneer deze te kort is om het dakgesteente te raken, kan zij pas passief tegenwerken nadat de steenkool al naar buiten is uitgezet, en biedt ze slechts beperkte bescherming. Maar wanneer de achtervulling hoog genoeg is om dakcontact te maken — in wezen een 100% achtervullingsverhouding — wordt zij een actieve structurele partner. Ze deelt een deel van de verticale belasting, zet zijwaarts uit onder compressie en drukt tegen de steenkoolpilaar voordat grote scheuren optreden, waardoor de steenkool in een gunstiger driedimensionaal spanningsveld komt. In tests nam de faalkracht van de steenkoolpilaren gestaag toe met een hogere achtervullingsverhouding en sterkere pasta, en steeg vervolgens scherp zodra dakcontact werd bereikt; de pilaren behielden ook enige capaciteit na de initiële breuk. Numerieke simulaties van een volledige puthelling bevestigden dat volledige hoogte, sterke achtervulling de pilaarvervorming sterk verminderde, de beschadigde zones in de helling verkleinde en het mogelijk maakte alle steenkool tussen de openingen veilig terug te winnen.

Gevolgen voor veiligere en schonere mijnbouw

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat de manier waarop we uitgegraven ruimtes weer opvullen doorslaggevend kan zijn voor zowel veiligheid als hulpbronnefficiëntie. Deze studie toont aan dat goed ontworpen gecementeerde pasta-achtervulling — vooral wanneer die het dak bereikt en er stevig contact mee maakt — kan transformeren van louter afvalverwerking tot een ontworpen ondersteuningssysteem. Het kan open-pit mijnen in staat stellen vrijwel alle steenkool onder hellingen te winnen, terwijl bodembewegingen klein blijven en het risico op hellingfalen afneemt. In de praktijk merken de auteurs op dat ingenieurs nog technische uitdagingen moeten overwinnen, zoals krimp en kleine spleten bij het dak, door gebruik van additieven of secundair injecteren. Maar de onderliggende conclusie is duidelijk: slim gebruik van achtervulling kan mijnen helpen meer hulpbronnen te winnen, hun hellingen te stabiliseren en tegelijkertijd enorme hoeveelheden afvalgesteente te recyclen.

Bronvermelding: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

Trefwoorden: highwall mining, gecementeerde pasta-achtervulling, stabiliteit van steenkoolpilaren, hellingdeformatie, recycling van mijnafval