Analyse van beïnvloedende factoren op de breedte van de plastische zone en de stabiliteit van met aeolisch zand gevulde stroken

Het land boven verborgen mijnen beschermen

Veel kolenmijnen liggen direct onder dorpen, wegen en landbouwgrond. Wanneer kolen worden gewonnen, kunnen de bovenliggende gesteentelagen doorzakken en kan het oppervlak verzakken, waardoor gebouwen scheuren en ecosystemen worden verstoord. Deze studie onderzoekt een methode om die ondergrondse leegten te ondersteunen met een speciaal op zand gebaseerd vulmateriaal, zodat er nog steeds kan worden gewonnen terwijl het land en de constructies erboven zo veilig en stabiel mogelijk blijven.

Woestijnzand inzetten als ondergrondse steun

De onderzoekers begonnen met het ontwikkelen van een nieuw opvulmateriaal met aeolisch zand — fijn zand dat door de wind in woestijngebieden is afgezet — als hoofdingrediënt. In West-China is dit zand overvloedig, gemakkelijk te winnen en goedkoop. Ze combineerden het met industriële vliegas die chemisch geactiveerd werd met kalk en gips zodat het tot een vaste massa uithardt. Proeven toonden aan dat de resulterende slurry gemakkelijk door leidingen stroomt en vervolgens uithardt tot een redelijk sterke, steenachtige massa, wat praktisch maakt om in afgegraven ruimtes ondergronds te pompen.

Gedrag van de zandopvulling onder druk

Om te begrijpen hoe dit materiaal zich op diepte zou gedragen, maakten het team cilindrische proefstukken en drukte die vanuit alle zijden samen in een krachtig testapparaat. Door de omgevingsdruk te variëren, konden ze verschillende mijneniveaus nabootsen. Naarmate de druk rond het proefstuk toenam, werd de opvulling sterker en vervormde minder voordat het brak. Uit deze experimenten berekenden de wetenschappers sleutelsterkte-eigenschappen die ingenieurs nodig hebben, zoals hoeveel schuifspanning het materiaal kan weerstaan. Deze waarden werden vervolgens gebruikt om in te schatten hoe sterk een strook opvulling zou zijn bij het dragen van het gewicht van honderden meters gesteente erboven.

De "zachte rand" rond opvulstroken in kaart brengen

Bij strookopvulling wordt het werkvlak in lange banden gewonnen, waarbij afwisselend solide stroken blijven die als ondergrondse balken het dak ondersteunen. In plaats van deze stroken volledig als koollaag te laten, bouwt deze methode sommige stroken op uit de zandachtige opvulling. Met computersimulaties van een werkelijke mijn in de provincie Shaanxi bestudeerde het team wat er gebeurt in een opvulstrook als het dak zakt. Ze vonden dat elke strook een sterke kern ontwikkelt die aan beide zijden omgeven is door "plastische" zones waar het materiaal is gevloeid en veel van zijn sterkte heeft verloren. De breedte van deze verzachte zones groeit naarmate de winningshoogte en -diepte toenemen, maar krimpt wanneer een groter deel van het gewonnen gebied wordt opgevuld.

Een eenvoudige regel die winningcondities en strookveiligheid verbindt

Aangezien de breedte van de zachte rand van meerdere factoren tegelijk afhing, gebruikte het onderzoeksteam statistische modellering om een vergelijking op te stellen die deze breedte koppelt aan winningdiepte, winningshoogte en het gevulde fractie van het paneel. Dit stelde hen in staat de breedte van de plastische zone in te voeren in een gevestigde theorie die elke strook beschouwt als een sterke kern met zwakke zijden, en een tweede theorie aan te passen die beschrijft hoe het gewicht van het overliggende gesteente wordt verdeeld tussen gevulde en niet-gevulde delen. Het combineren van deze ideeën leverde, voor het eerst, een duidelijke wiskundige uitdrukking op voor hoe stabiel een met aeolisch zand gevulde strook zal zijn onder gegeven winsomstandigheden.

De methode testen in een werkelijke mijn

De nieuwe ontwerpmethode werd vervolgens toegepast bij een actief kolenfront op ongeveer 300 meter diepte onder verspreide woningen. Gebaseerd op grenzen voor hoeveel het oppervlak mocht bewegen, berekenden de ingenieurs hoe breed de onvervulde openingen en de gevulde stroken moesten zijn. Ze kozen voor 56 meter brede opvulstroken gescheiden door 46 meter brede gewonnen ruimtes en installeerden een modulair ondersteuningssysteem om de opvulling te plaatsen en vast te houden terwijl deze uithardde. Gedurende bijna drie jaar monitoring bleven de maximale bodemdaling en grondspanningen binnen de strikte doelen, en raakten de bovenliggende gebouwen niet beschadigd.

Betekenis voor groenere kolenwinning

Dit werk toont aan dat fijn woestijnzand, gecombineerd met industriële vliegas, een betrouwbaar constructiemateriaal kan worden voor het ondersteunen van ondergrondse openingen. Door zorgvuldig de winningdiepte, laagdikte en vulratio te relateren aan de breedte van de zachte zone en de algehele strooksterkte, kunnen ingenieurs opvulstroken ontwerpen die het gesteente erboven veilig dragen terwijl minder materiaal wordt gebruikt dan bij volledige opvulling. Praktisch biedt de methode kolenproducenten in zandrijke regio’s een manier om hulpbronnen efficiënter terug te winnen, gemeenschappen aan de oppervlakte te beschermen en afval te recyclen — een stap richting daadwerkelijk "groene" ondergrondse kolenwinning.

Bronvermelding: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

Trefwoorden: opvulwinning, aeolisch zand, bodemdaling, stabiliteit van kolenmijnen, pasta-opvulling