Påverkan av cementerat pastafyllnad på mekaniska egenskaper och stabilitet hos kolpelare i högväggsgruvor i dagbrott

Att förvandla gruvavfall till ett stödjande system

Dagbrott för kol lämnar ofta stora mängder värdefullt kol inlåst under de sluttningar som blir kvar, eftersom borttagning kan försvaga marken och utlösa jordskred. Denna studie undersöker hur en särskilt konstruerad "cementerad pastafyllnad"—framställd till största delen av gruvavfall—kan användas för att säkert stödja dessa sluttningar samtidigt som mycket mer kol kan utvinnas. För läsare intresserade av renare resursanvändning, säkrare gruvdrift och kreativ återvinning av industriellt avfall erbjuder arbetet ett konkret exempel på hur teknik kan förvandla en belastning till en strukturell tillgång.

Varför kolpelare är viktiga för säkerheten

I highwall-gruvdrift skär maskiner horisontella tunnlar in i den exponerade kolådern längs dagbrottets vägg, och lämnar solida kolpelare bakom sig för att bära upp överliggande berg. Dessa pelare är avgörande för att förhindra att sluttningen deformeras eller kollapsar, men att lämna dem innebär att stora mängder kol aldrig kan återvinnas. Vid en kinesisk dagbrottsgruva ledde tidig användning av highwall-gruvdrift utan utfyllnad till marksänkningar på terrasser och körvägar, vilket väckte oro för långsiktig stabilitet. Frågan forskarna ställde var: kan vi delvis ersätta dessa kolpelarers funktion genom att fylla de uppbrutna hålrummen med en kontrollerad, cementerad pasta, så att mer kol kan tas ut säkert?

Att bygga och bryta mini-pelare

För att ta itu med detta återskapade teamet kol-och-utfyllnadssystemet i laboratoriet med kubformade kolprover från en verklig gruva. De gjöt cementerad pasta gjord av krossat bergavfall, flygaska, cement och vatten på båda sidor om kolet och bildade ett "utfyllnad–kolpelare–utfyllnad"-smörgås. Genom att variera två huvudfaktorer—utfyllnadens höjd i förhållande till kolpelaren (utfyllnadsandel) och pastans egen styrka—kunde de se hur mycket stöd utfyllnaden faktiskt gav. Dessa provstycken pressades sedan i en stark stålkontainer som imiterade den täta inneslutningen i en verklig högvägg, medan instrument registrerade hur kol och utfyllnad reagerade när lasten ökade.

Hur utfyllnad ändrar sättet kol brister på

Spännings–töjningskurvorna—materialets fingeravtryck för hur det bär last—avslöjade en femstegsberättelse: porer som komprimeras, kolet som bär lasten elastiskt, sprickor som bildas och förenas, kolets huvudsakliga brott, och slutligen, i vissa fall, att kolet fortfarande bar last tack vare den återhållande utfyllnaden. Vid låga utfyllnadsandelar och låg pastastyrka uppträdde kolet sämre än kol utan någon utfyllnad; utfyllnaden begränsade inte pelaren fullt ut och försköt i stället brottet till den övre, mindre stödda delen, som gick sönder explosivt i fragment. När utfyllnaden gjordes högre och starkare förändrades brottmönstret. Sprickbildningen blev mer jämnt fördelad genom pelaren, stora sidoförskjutningar minskade, och vid 95% utfyllnadsandel med stark pasta visade kolet endast mindre ytlig sprickbildning och förblev i stort sett intakt.

Från passiv fyllning till aktiv partner

En viktig slutsats är att utfyllnaden gör mer än att bara upptaga utrymme. När den är för kort för att nå takberget kan den endast verka passivt efter att kolet redan buktat utåt, och erbjuder då begränsat skydd. Men när utfyllnaden är tillräckligt hög för att nå takkontakten—i praktiken en 100% utfyllnadsandel—blir den en aktiv strukturell partner. Den tar en del av den vertikala lasten, expanderar sidledes under kompression och trycker mot kolpelaren innan större sprickbildning uppstår, vilket sätter kolet i ett mer gynnsamt tredimensionellt spänningstillstånd. I tester ökade brottstyrkan hos kolpelarna stadigt med ökande utfyllnadsandel och styrka, för att sedan skjuta i höjden när takkontakt uppnåddes, och pelarna behöll viss kapacitet även efter initialt brott. Numeriska simuleringar av en hel dagbrotts-sluttning bekräftade att fullhöjd, stark utfyllnad kraftigt minskade pelardefomer, krympte de skadade zonerna i sluttningen och möjliggjorde säker återvinning av allt kol mellan öppningarna.

Konsekvenser för säkrare och renare gruvdrift

För icke-specialister är huvudbudskapet att hur vi fyller igen uppbrutna utrymmen avgör både säkerhet och resurseffektivitet. Denna studie visar att väl utformad cementerad pastafyllnad—särskilt när den når och sitter fast mot taket—kan förvandlas från ren avfallshantering till ett konstruerat stödsystem. Den kan göra det möjligt för dagbrott att utvinna nästan allt kol under sluttningar, samtidigt som markrörelser hålls små och risken för släntbrott minskar. I praktiken påpekar författarna att ingenjörer fortfarande måste övervinna tekniska hinder, såsom krympning och små glipor vid taket, med hjälp av tillsatser eller sekundär injicering. Men den underliggande slutsatsen är tydlig: smart användning av utfyllnad kan hjälpa gruvor att återvinna fler resurser, stabilisera sina sluttningar och återvinna enorma volymer bergavfall samtidigt.

Citering: 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

Nyckelord: highwall-gruvdrift, cementerad pastafyllnad, stabilitet hos kolpelare, släntdeformation, återvinning av gruvavfall