质量浓度和养护龄期对风成砂回填材料力学性能及损伤演化的影响

填充隐蔽空洞以保障矿区安全

在一些露天煤矿下方深处存在由早期开采遗留的老旧地下巷道和空腔，称为采空区。如果这些隐蔽空洞没有得到适当支护，上方地层可能发生沉降或坍塌，威胁作业人员、设备及邻近社区的安全。本研究探讨如何将风吹而成的沙子改造成一种强度可靠的回填材料，以安全支撑这些老旧空洞上方的岩层，同时实现当地废料的循环利用并减少对稀缺河砂的需求。

将风成砂转为支护材料

研究者以风成砂——中国西北地区常见的细粒风化砂——为主要回填原料。他们将该砂与黄土（富含粉砂的土壤）混合，并加入由水泥与粉煤灰组成的胶结剂，再加水制成可泵送浆体。浆体灌注入地下空腔后硬化为固结的“人工岩体”，以支撑上覆层。为评估材料性能，团队制备了不同质量浓度（混合物中固体物质比例）为74%至80%的标准圆柱试样，并分别进行了3日至28日不同养护时间的养护。

测试强度、刚度与破坏形态

对硬化试样进行了压缩试验直至破坏，同时用传感器监听材料内部的微裂纹声发射。试验结果表明，随着配合比变得更紧密，试样的承载能力（强度）和刚度（在荷载下的变形抵抗力）均稳步上升。在质量浓度为80%且养护28天时，材料达到了最高的强度和刚度。时间也很重要：强度增长并非线性，而是在前两周快速增长，随后增长放缓，这是由于水泥与粉煤灰与水反应并逐步将颗粒黏结在一起的结果。

听裂纹与追踪能量演化

为更好理解材料的破坏过程，团队采用声发射监测——也就是“倾听”微观裂纹活动——并分析加载过程中机械能的储存与释放。在较低浓度时，裂纹较早出现并逐步扩展，产生大量小幅信号，表现出较为温和的、韧性的破坏特征。在较高浓度时，内部结构更均匀且结合更紧密，材料能储存更多弹性能量，类似被压缩的弹簧。在破坏前夕，这些储存的能量会突然释放，产生强烈的声发射突发并伴随尖锐的脆性破裂。随着浓度提高，输入能中以弹性形式储存的比例上升，而因不可逆损伤和摩擦消散的能量比例下降，显示出向更高强度但更突发破坏方式的转变。

观察内部显微结构

研究者还在强力显微镜下观察了材料的内部结构。低固体含量的混合物中，胶结剂无法完全填充砂粒与土粒之间的空隙，形成松散、多孔的结构，为裂纹萌生与扩展提供了通道。随着质量浓度增加，更多的反应产物生成并填充这些空隙，将颗粒紧密连接成更致密、均匀的网络。在最高浓度下，回填体呈现致密且结合良好的形貌，孔隙明显减少。这一显微图像与力学试验结果一致：更致密、更良好结合的结构带来更高的强度与刚度，但在超载时也更容易发生突发的脆性破坏。

对更安全、更清洁采矿的启示

对非专业读者而言，结论很直观：通过精确调控混合物中的固体含量和合理的养护时间，工程师可以将丰富的风成砂转化为强度可控的支护材料，用于加固老旧地下采空区。较高的浓度和充分的养护时间能形成更致密、更均匀的“人工岩体”，承载力更高且支护更可靠，但在超过极限时破坏更为突然。这些发现为矿山设计者在配方选择与养护时间安排上提供了实用指导，便于在露天煤矿中平衡安全性、材料利用率与环境影响。

引用: Zhao, G., Zhang, Y., Zhang, G. et al. Effects of mass concentration and curing age on the mechanical properties and damage evolution of aeolian sand backfill. Sci Rep 16, 6321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37254-y

关键词: 矿山回填, 风成砂, 地下空洞稳定性, 胶结回填强度, 露天煤矿