Wpływ zaprawy cementowej wypełniającej na właściwości mechaniczne i stabilność filarów węgla w górnictwie highwall w odkrywce

Przekształcenie odpadów kopalnianych w system podpór

Kopalnie węgla odkrywkowego często pozostawiają pod ostatecznymi skarpami duże ilości wartościowego węgla, ponieważ jego wydobycie może osłabić grunt i wywołać osuwiska. W badaniu zbadano, jak specjalnie zaprojektowana „zaprawa cementowa wypełniająca” — wykonana w dużej mierze z odpadów górniczych — może być użyta do bezpiecznego podparcia tych skarp, jednocześnie umożliwiając znacznie większe wydobycie węgla. Dla czytelników zainteresowanych czystszych metod pozyskiwania surowców, bezpieczniejszym górnictwem i kreatywnym recyklingiem odpadów przemysłowych, praca stanowi namacalny przykład tego, jak inżynieria może przekształcić obciążenie w wartość konstrukcyjną.

Dlaczego filary węgla mają znaczenie dla bezpieczeństwa

W górnictwie highwall maszyny wycinają poziome tunele w odsłoniętej warstwie węgla wzdłuż ściany odkrywki, pozostawiając solidne słupy węgla — nazywane filarami — które podtrzymują zalegające skały. Te filary są kluczowe dla zapobiegania deformacji lub zawaleniu skarpy, ale pozostawienie ich oznacza, że duża część węgla nigdy nie zostanie odzyskana. W chińskiej odkrywce wczesne stosowanie highwall mining bez wypełnienia doprowadziło do osiadania terenu na ławach i drogach zjazdowych, co wzbudziło obawy o długoterminową stabilność. Pytanie postawione przez badaczy brzmiało: czy możemy częściowo zastąpić rolę tych filarów poprzez wypełnienie wyeksploatowanych pustek kontrolowaną, zaprawioną mieszanką, tak aby można było bezpieczniej usunąć więcej węgla?

Budowa i niszczenie miniaturowych filarów

Aby to zbadać, zespół odtworzył w laboratorium system filar–wypełnienie, używając sześciennych próbek węgla pochodzących z rzeczywistej kopalni. Na obu bokach węgla odlewano zaprawę cementową z kruszywa skalnego, popiołu lotnego, cementu i wody, tworząc „wypełnienie–filar węgla–wypełnienie”, przypominającą kanapkę. Zmieniali dwa główne czynniki — wysokość wypełnienia względem filara węgla (stosunek wypełnienia) oraz wytrzymałość samej zaprawy — aby ocenić, jak duże wsparcie daje wypełnienie. Następnie próbki były ściskane w mocnym stalowym zbiorniku imitującym silne ograniczenie w rzeczywistym highwall, a instrumenty rejestrowały reakcję węgla i wypełnienia w miarę zwiększania obciążenia.

Jak wypełnienie zmienia sposób zawierania się węgla

Krzywe naprężenie–odkształcenie — odcisk palca sposobu przenoszenia obciążenia przez materiał — ujawniły pięcioetapową historię: upychaniem porów, elastycznym przenoszeniem obciążenia przez węgiel, powstawaniem i łączeniem się spękań, główną awarią węgla i wreszcie, w niektórych przypadkach, dalszym przenoszeniem obciążenia przez węgiel dzięki restrykcyjnemu działaniu wypełnienia. Przy niskich stosunkach wypełnienia i niskiej wytrzymałości zaprawy węgiel zachowywał się gorzej niż bez wypełnienia; wypełnienie nie ograniczało filara w pełni i zamiast tego przesuwało punkt zerwania do górnej, słabiej podpartej części, która eksplodowała na fragmenty. W miarę zwiększania wysokości i wytrzymałości wypełnienia wzór zniszczenia ulegał zmianie. Pękanie rozkładało się bardziej równomiernie przez filar, zmniejszało się boczne wyboczenie, a przy 95% stosunku wypełnienia i mocnej zaprawie węgiel wykazywał jedynie drobne pęknięcia powierzchniowe i pozostawał w dużej mierze nienaruszony.

Od biernego wypełnienia do aktywnego partnera

Kluczowe odkrycie polega na tym, że wypełnienie robi więcej niż tylko zajmuje przestrzeń. Kiedy jest zbyt krótkie, by dotykać skały stropu, może jedynie biernie odpierać nacisk po tym, jak węgiel już wybrzuszył się na zewnątrz, oferując ograniczoną ochronę. Ale gdy wypełnienie jest na tyle wysokie, że styka się ze stropem — zasadniczo przy 100% stosunku wypełnienia — staje się aktywnym partnerem konstrukcyjnym. Przejmuje część obciążenia pionowego, rozszerza się bocznie pod ściskaniem i naciska na filar węgla zanim wystąpią duże pęknięcia, wprowadzając węgiel w korzystniejszy trójwymiarowy stan naprężeń. W testach wytrzymałość filarów rosła stopniowo wraz ze wzrostem stosunku wypełnienia i wytrzymałości zaprawy, po czym gwałtownie wzrastała po osiągnięciu kontaktu ze stropem, a filary zachowywały pewną nośność nawet po początkowym uszkodzeniu. Symulacje numeryczne całej skarpy odkrywki potwierdziły, że pełnowymiarowe, mocne wypełnienie wyraźnie zmniejsza odkształcenia filarów, zmniejsza strefy uszkodzeń w skarpie i umożliwia bezpieczne odzyskanie całego węgla między wyrobiskami.

Implikacje dla bezpieczniejszego i czystszego górnictwa

Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest takie, że sposób, w jaki wypełniamy wyeksploatowane przestrzenie, może decydująco wpłynąć zarówno na bezpieczeństwo, jak i na efektywność wykorzystania zasobów. Badanie pokazuje, że dobrze zaprojektowana zaprawa cementowa wypełniająca — zwłaszcza gdy sięga i mocno styka ze stropem — może przekształcić się z prostego sposobu unieszkodliwiania odpadów w inżynieryjny system podporowy. Może pozwolić kopalniom odkrywkowym na wydobycie niemal całego węgla pod skarpami, przy jednoczesnym ograniczeniu ruchów gruntu i zmniejszeniu ryzyka awarii skarpy. W praktyce autorzy zauważają, że inżynierowie wciąż muszą pokonać przeszkody techniczne, takie jak skurcz i drobne szczeliny przy stropie, stosując domieszki lub wtórne iniekcje. Jednak podstawowy wniosek jest jasny: inteligentne użycie wypełnienia może pomóc kopalniom odzyskać więcej surowców, ustabilizować skarpy i jednocześnie przetworzyć ogromne ilości skały odpadowej.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: górnictwo highwall, zaprawa cementowa wypełniająca, stabilność filarów węgla, odkształcenia stoku, recykling odpadów kopalnianych