基于风成砂回填带塑性区宽度与稳定性影响因素分析

保护隐伏矿下方的土地

许多煤矿直接位于村庄、道路和农田之下。开采煤炭时，上覆岩层可能下陷，地表会沉降，导致建筑开裂并破坏生态系统。本研究探索了一种使用特殊砂基回填材料支撑地下空洞的方法，以便在继续开采煤炭的同时尽可能保持地面及其上建筑的安全与稳定。

把沙漠砂变成地下支撑材料

研究者首先开发了一种以风成砂——风在荒漠地区沉积的细砂——为主要成分的新型回填材料。在中国西部，这类砂资源丰富、易于采集且成本低廉。他们将其与工业废弃粉煤灰混合，并用石灰和石膏进行化学活化，使其能硬化成固体体。试验表明，所得浆体易于通过管道输送，灌注后能固结为具有一定强度的类岩体，从而具备向采空区输送回填的可行性。

砂基回填在受压下的力学表现

为了了解该材料在地下深处的性能，团队制作了圆柱形试样，置于强力试验机中进行三轴受压试验。通过改变围压，他们能模拟不同的矿井埋深。随着围压增大，回填材料表现出更高的强度和更小的破坏前变形。基于这些实验，科学家计算出工程上需要的关键强度参数，例如材料能抵抗的剪应力。这些数值随后用于估算在承受上百米岩体荷载时回填带的承载能力。

描绘回填带周边的“软化边缘”

在带状回填采矿中，工作面以长条带形式开采，留下交替的实体带以充当地下梁体支撑顶板。与将这些带全部保留为煤体不同，本方法用砂基回填材料构建部分带体。基于对陕西某真实矿井的数值模拟，团队研究了顶板沉降过程中回填带内部的状态。他们发现，每个带体在中间形成较强的核心，两侧围绕着已屈服并丧失大量强度的“塑性”区。随着采掘高度和埋深增加，这些软化区的宽度扩大；而当回填率提高时，软化区的宽度则减小。

将采矿条件与带体安全性联系起来的简明法则

由于软化边宽受多种因素共同影响，研究者采用统计拟合建立了一个将其与采深、采高及回填率联系起来的方程。这样他们就能将塑性区宽度代入一种将每个带体视为强核心与弱侧缘的既有理论，并结合另一种描述覆盖岩体如何在回填与采空区之间分担荷载的理论。将这些思想相结合，首次给出了描述在特定采矿条件下砂基回填带稳定性的明确数学表达式。

在实际矿井中的应用验证

随后，该设计方法在一个埋深约300米、上方分布着零散民房的工作面进行了应用。基于对地表允许位移的限制，工程师计算出应留出的采空间与回填带宽度。他们选择了56米宽的回填带，间以46米宽的采空带，并安装了模块化支护系统以便在回填体固化时定位并保持其形状。近三年的监测显示，最大地表沉降和地应变均控制在严格目标范围内，上方建筑未发生任何损坏。

对更绿色煤炭开采的意义

这项工作表明，细粒风成砂与工业废粉煤灰结合后，可以成为可靠的支护结构材料。通过将采深、层厚与回填率与软化区宽度及带体总体强度精确关联，工程师可以设计出在承载上覆岩体时既安全又比完全回填节省材料的回填带。就实际意义而言，该方法为砂质地区的煤炭生产者提供了一条更高效回收资源、保护地表社区并循环利用工业废料的路径，使地下煤矿开采向真正“绿色”运营更进一步。

引用: 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

关键词: 回填采矿, 风成砂, 地面沉降, 煤矿稳定性, 胶体回填