水泥胶结尾矿回填对露天高壁开采煤柱力学性能与稳定性的影响

将矿山废料转化为支护系统

露天煤矿常在最终坡脚下留下大量有价值的煤，这些煤因为开采可能削弱地面并诱发滑坡而被弃置。本研究探讨一种由采矿废料为主组成的“水泥胶结尾矿回填”能否用于安全支撑这些边坡，从而允许开采更多被封存的煤。对于关心更清洁资源利用、更安全采矿及工业废料创造性循环利用的读者，这项工作提供了工程如何将负担转变为结构性有利资产的具体示例。

为什么煤柱对安全至关重要

在高壁开采中，机械沿着露出的煤层在坑壁开出水平隧道，留下用以支撑上覆岩体的煤柱。煤柱对于防止边坡变形或崩塌至关重要，但保留煤柱意味着大量煤无法回收。在某中国露天矿场，早期在未回填的情况下进行高壁开采导致矸石台阶和运输道路出现地面沉降，引发对长期稳定性的担忧。研究人员提出的问题是：我们是否可以通过用受控的、胶结的尾矿浆填充采空区，部分替代煤柱的支撑功能，从而更安全地提取更多煤？

构建并破坏微型煤柱试件

为了解决这一问题，研究组在实验室中按真实矿场的煤样重建了煤—回填系统，采用立方体煤样。在煤两侧浇筑由破碎岩石废料、粉煤灰、水泥和水制成的胶结尾矿浆，形成“回填—煤柱—回填”的夹心结构。通过改变两个主要因素——回填高度与煤柱高度之比（回填率）以及浆体自身强度——他们观察到回填提供了多少支撑。这些试件随后被置入模拟高壁中实际紧约束条件的强钢容器中受压，仪器记录在加荷过程中煤与回填的响应。

回填如何改变煤的破坏方式

应力—应变曲线——材料承载行为的“指纹”——显示了五个阶段：孔隙被压实、煤弹性承载、裂缝形成并连接、煤的主破坏，以及在某些情况下，由于回填的约束，煤在破坏后仍能部分承载。在低回填率和低浆体强度下，煤的表现甚至比无回填时更差；回填未能充分约束煤柱，反而把破坏转移到上部较少支撑的区域，使其剧烈破碎。随着回填高度和强度提高，破坏模式发生变化：裂缝在柱体内更均匀分布，侧向大幅鼓胀减小；在95%回填率且浆体强度高的情况下，煤仅出现轻微表面裂缝并基本保持完整。

从被动填充体到主动承载体

一个关键发现是，回填不仅仅是占据空间。当回填高度不足以接触顶板时，它只能在煤已经向外鼓胀后被动抵抗，保护有限。但当回填足够高以与顶板接触——本质上达到100%回填率时——它就成为一个主动的结构伙伴。它分担部分垂直荷载，在受压时横向膨胀，并在出现大裂缝前对煤柱施加压力，使煤处于更有利的三维应力状态。试验中，随着回填率和强度的增加，煤柱的破坏强度稳步上升；一旦实现顶板接触，这一强度跃升，且柱体在初始破坏后仍保有一定承载能力。对整个采场边坡的数值模拟证实：全高且强度高的回填显著降低了煤柱变形，缩小了坡体受损区，并使开挖间隔间的全部煤体可被安全回收。

对更安全、更清洁采矿的启示

对非专业读者而言，主要信息是：我们如何回填采空区会决定安全性与资源效率。本研究表明，设计良好的水泥胶结尾矿回填——尤其是能达到并稳固接触顶板的回填——可以从简单的废弃物处置转变为工程化的支护系统。它可以使露天矿在边坡下几乎全部回收煤炭，同时保持地表位移很小并降低边坡失稳风险。在实际应用中，作者指出工程师仍需克服诸如收缩和顶板小间隙等技术难点，可通过外加剂或二次注浆等措施解决。但基本结论清晰：对回填的合理利用能够帮助矿山回收更多资源、稳定边坡，并同时循环利用大量废石。

引用: 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

关键词: 高壁开采, 水泥胶结尾矿回填, 煤柱稳定性, 边坡变形, 矿山废弃物循环利用