Влияние цементированного пастообразного заполнителя на механические свойства и устойчивость угольных столбов при майнинге высоких уступов карьера

Преобразование горных отходов в опорную систему

В карьерных угольных разрезах под окончательными откосами часто остаются большие запасы ценного угля, потому что их извлечение может ослабить грунт и спровоцировать оползни. В этом исследовании рассматривается, как специально разработанный «цементированный пастообразный заполнитель», изготовленный в основном из горных отходов, может безопасно поддерживать эти откосы и при этом позволить извлечь значительно больше угля. Для тех, кто интересуется более чистым использованием ресурсов, безопасной добычей и креативной переработкой промышленных отходов, работа представляет собой конкретный пример того, как инженерия может превратить проблему в структурное достоинство.

Почему угольные столбы важны для безопасности

При майнинге высоких уступов машины прорезают горизонтальные выработки в обнажённом угольном пласте вдоль откоса карьера, оставляя прочные столбы угля — «пилоны» — которые поддерживают перекрывающие породы. Эти столбы критически важны для предотвращения деформации или обрушения откоса, но их сохранение делает недоступным большое количество угля. На одном китайском карьере раннее применение майнинга высоких уступов без обратной засыпки привело к просадкам на уступах и транспортных дорогах, что вызвало опасения по поводу долговременной устойчивости. Вопрос, который поставили исследователи, был таков: можно ли частично заменить функцию этих угольных столбов, заполнив выработанные полости контролируемым цементированным пастообразным материалом, чтобы безопасно извлечь больше угля?

Создание и разрушение миниатюрных столбов

Чтобы изучить этот вопрос, команда воссоздала в лаборатории систему «уголь — заполнитель», используя кубические образцы угля из реального рудника. Они отливали цементированный заполнитель из дроблёной горной породы, летучей золы, цемента и воды с обеих сторон образца, формируя сэндвич «заполнитель–угольный столб–заполнитель». Изменяя два основных параметра — высоту заполнителя относительно угольного столба (коэффициент заполнения) и прочность пасты — они могли оценить, какую поддержку реально обеспечивает заполнитель. Эти образцы затем сжимали в прочном стальном контейнере, имитировавшем жёсткое обжатие в реальном уступе, а приборы регистрировали ответ угля и заполнителя по мере роста нагрузки.

Как заполнитель меняет характер разрушения угля

Кривые «напряжение — деформация», отпечатки того, как материал несёт нагрузку, показали пятиступенчатую историю: уплотнение пор, упругая несущая способность угля, образование и слияние трещин, основное разрушение угля и, наконец, в некоторых случаях — сохранение несущей способности угля благодаря сдерживающему заполнителю. При низких коэффициентах заполнения и слабой пасте поведение угля было хуже, чем у образцов без заполнителя; заполнитель не обеспечивал полного сдерживания столба и смещал зону разрушения в верхнюю, менее поддержанную часть, которая разрушалась взрывным образом на фрагменты. По мере увеличения высоты и прочности заполнителя картина разрушения менялась: трещинообразование равномерно распределялось по столбу, большая боковая выпученность уменьшалась, и при коэффициенте заполнения 95% и прочной пасте уголь демонстрировал лишь незначительные поверхностные трещины и оставался в основном целым.

От пассивного заполнителя к активному партнёру

Ключевой вывод в том, что заполнитель делает больше, чем просто занимает пространство. Когда он слишком низок, чтобы соприкасаться с кровлей, он может лишь пассивно противостоять после того, как уголь уже выпучился наружу, и обеспечивает лишь ограниченную защиту. Но когда заполнитель достаточно высок, чтобы достичь кровли — фактически при 100% коэффициенте заполнения — он становится активным структурным партнёром. Он принимает часть вертикальной нагрузки, расширяется в стороны под сжатием и начинает давить на угольный столб ещё до появления крупных трещин, создавая для угля более благоприятное трёхосное состояние напряжений. В испытаниях прочность столбов последовательно росла с увеличением коэффициента заполнения и прочности пасты, а затем резко увеличивалась при достижении контакта с кровлей; столбы сохраняли часть несущей способности даже после начального разрушения. Численные моделирования всего откоса карьера подтвердили, что полноразмерный, прочный заполнитель резко снижает деформацию столбов, уменьшает зоны повреждений в откосе и позволяет безопасно извлечь весь уголь между выработками.

Последствия для более безопасной и экологичной добычи

Для неспециалистов главный вывод таков: то, как мы заполняем выработанные полости, может решающим образом влиять и на безопасность, и на эффективность использования ресурсов. Исследование показывает, что грамотно спроектированный цементированный пастообразный заполнитель — особенно когда он достигает и плотно контактирует с кровлей — может превратиться из простой утилизации отходов в инженерную опорную систему. Это позволяет карьерным разрезам извлекать практически весь уголь под откосами, одновременно минимизируя движения грунта и снижая риск разрушения откосов. На практике, как отмечают авторы, инженерам всё ещё предстоит решить технические задачи, такие как усадка и мелкие зазоры у кровли, с помощью добавок или вторичного инъектирования. Но основной вывод ясен: грамотное применение заполнителя помогает шахтам извлекать больше ресурсов, стабилизировать откосы и одновременно перерабатывать огромные объёмы породы-отхода.

Цитирование: 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

Ключевые слова: майнинг высоких уступов, цементированный пастообразный заполнитель, устойчивость угольных столбов, деформация откосов, переработка горной массы