Analys av påverkande faktorer på plastzonsbredd och stabilitet hos aeolinsandbaserade utfyllningsremsor

Skydda marken ovanför dolda gruvor

Många kolgruvor ligger direkt under byar, vägar och jordbruksmark. När kolet tas bort kan berglagren ovanför sjunka och markytan försjunka, vilket spräcker byggnader och stör ekosystem. Denna studie undersöker ett sätt att stödja de underjordiska tomrummen med ett särskilt sandbaserat fyllnadsmaterial, så att kol fortfarande kan brytas samtidigt som marken och konstruktionerna ovan hålls så säkra och stabila som möjligt.

Förvandla ökensand till underjordiskt stöd

Forskarna började med att utveckla ett nytt utfyllnadsmaterial med aeolinsand — fin sand avsatt av vind i ökenområden — som huvudkomponent. I västra Kina är den sanden riklig, lätt att samla in och billig. De kombinerade den med industriellt slaggflygaska som kemiskt aktiverats med kalk och gips så att den skulle härda till en solid massa. Tester visade att den resulterande slurry:n flyter lätt genom ledningar och sedan stelnar till en relativt stark, bergliknande kropp, vilket gör det praktiskt att pumpa in i utbrutna utrymmen under jord.

Hur sandutfyllningen beter sig under tryck

För att förstå hur materialet skulle prestera djupt under jord tillverkade teamet cylindriska prov och pressade dem från alla håll i en kraftfull testmaskin. Genom att ändra det omgivande trycket kunde de efterlikna olika djup i en gruva. När trycket runt provet ökade blev utfyllningen starkare och deformerade sig mindre innan brott uppstod. Från dessa försök beräknade forskarna viktiga hållfasthetsegenskaper som ingenjörer behöver, såsom hur mycket skjuvspänning materialet kan motstå. Dessa värden användes sedan för att uppskatta hur stark en remsa av utfyllning skulle vara när den bär vikten av hundratals meters berg ovanför.

Kartläggning av ”mjukkanten” runt utfyllningsremsor

I remsutfyllningsbrytning utvinns arbetsfron i långa band, vilket lämnar alternerande solida remsor som fungerar som underjordiska balkar för att hålla upp taket. Istället för att låta dessa remsor bestå helt av kol bygger man vissa av dem med sandbaserad utfyllning. Genom datasimuleringar av en verklig gruva i Shaanxi-provinsen studerade teamet vad som händer inuti en utfyllningsremsa när taket sätter sig. De fann att varje remsa utvecklar en stark kärna i mitten omgiven på båda sidor av ‘‘plastiska’’ zoner där materialet har gett efter och förlorat mycket av sin styrka. Bredden på dessa förmjukade zoner ökar när brythöjden och djupet växer, men minskar när en större andel av det utbrutna området fylls igen.

En enkel regel som kopplar brytförhållanden och remsstabilitet

Eftersom mjukkantens bredd berodde på flera faktorer samtidigt använde forskarna statistisk anpassning för att bygga en ekvation som länkar den till brytdjup, brythöjd och den andel av panelen som återfylls. Detta gjorde det möjligt för dem att sätta in plastzonsbredden i en etablerad teori som behandlar varje remsa som en stark kärna med svaga sidor, och att anpassa en andra teori som beskriver hur vikten av berglagren ovanför fördelas mellan fyllda och ofyllda områden. Genom att kombinera dessa idéer framkom, för första gången, ett tydligt matematiskt uttryck för hur stabil en sandbaserad utfyllningsremsa kommer att vara under givna brytförhållanden.

Pröva metoden i en verklig gruva

Den nya konstruktionsmetoden tillämpades sedan vid en arbetsfront i en kolgruva ungefär 300 meter djupt under spridda hus. Baserat på gränser för hur mycket markytan fick röra sig beräknade ingenjörerna hur breda de ofyllda gliporna och de fyllda remsorna skulle vara. De valde 56 meter breda utfyllningsremsor separerade av 46 meter breda utbrutna utrymmen och installerade ett modulärt stödsystem för att placera och hålla utfyllningen medan den hårdnade. Under nästan tre års övervakning höll sig maximal ytförsänkning och markspänningar inom de strikta målen, och inga skador uppstod på byggnaderna ovanför.

Vad detta betyder för grönare kolbrytning

Denne forskning visar att fin ökensand, i kombination med industriellt avfallsflygaska, kan bli ett pålitligt konstruktionsmaterial för att stödja underjordiska öppningar. Genom att noggrant relatera brytdjup, lagerhöjd och fyllnadsgrad till mjukzonsbredden och den totala remsstyrkan kan ingenjörer utforma utfyllningsremsor som säkert bär upp berget ovan samtidigt som man använder mindre material än vid fullständig återfyllning. I praktiken erbjuder metoden kolproducenter i sandiga regioner ett sätt att utvinna resurser mer effektivt, skydda samhällen på ytan och återvinna avfall, vilket för underjordisk kolbrytning ett steg närmare verkligt ”grön” drift.

Citering: 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

Nyckelord: utfyllningsbrytning, aeolinsand, marksänkning, kolgruva stabilitet, pastautfyllning