Mechanical Behavior and Dual-Peak Strength Evolution of Coal Pillar–Granular Backfill Composite Body in Highwall Mining
本研究通过探讨高墙开采中煤柱—颗粒填充复合体的力学行为及双峰强度演化过程，揭示了煤柱宽度与颗粒材料高度如何通过既有模型影响强度，旨在为绿色安全资源回收提供支持。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下地球的地壳就像一个巨大的、分层的蛋糕。有时，矿工想要吃掉整个蛋糕，但顶层太陡峭，或者底层被困住了，导致用普通的铲子无法触及。这就是露天开采的世界，巨大的机器从地表挖掘煤炭。但随着挖掘的深入，他们在坑口边缘留下了由岩石和煤组成的“墙”，将珍贵的煤层困在了下方。这种被困住的煤被称为边坡煤。如果任其不管，它们将永远消失，被埋在数吨废石之下。为了获取这些煤，工程师们使用了一种聪明的技巧，叫做高墙采煤法，即从坑口边缘向煤层内部发送一台遥控机器人矿工，通过它啃噬出长长的隧道。
然而，这个机器人不能一次性把整个煤层都啃完，否则屋顶会坍塌。因此，它会留下厚厚的煤柱来支撑天花板，就像古代神庙里的柱子一样。问题在于？随着时间的推移，这些煤柱可能会变得疲劳、产生裂缝并失效，导致上方的地面下沉甚至引发火灾。为了阻止这种情况，矿工们正在尝试一个新想法：充填回填。他们不再只是留下空荡荡的隧道，而是用松散的岩石和碎石（颗粒材料）填充煤柱周围的空间。这就像是用包装泡沫填充破碎的花瓶，以防止其破碎。科学家们提出的核心问题是：这种“煤柱加包装泡沫”的组合在压力下的表现究竟如何？这些松散的岩石是有助于支撑，还是只会碍手碍脚？
这篇论文通过在实验室中构建一个微缩版的地下世界，深入探讨了这个问题。由中国矿业大学的田亚（Ya Tian）和史旭阳（Xuyang Shi）领导的研究团队创造了一台特殊的机器，用于测试煤柱—颗粒充填复合体（CGCB）。他们不仅仅是挤压一块煤，而是构建了一个中间有煤柱、两侧有松散碎石的“三明治”，然后通过挤压来观察发生了什么。
他们的发现非常具有戏剧性，有点像一场两幕剧。当他们挤压这个“煤与岩石的三明治”时，它并不仅仅是破裂一次就放弃了。相反，它展现出了双峰强度，这意味着它有两个明显的最大力量时刻。第一个峰值，他们称之为 强度，发生在煤柱开始产生裂缝时。第二个峰值，即 强度，发生在稍晚阶段，此时煤已经破碎，但侧面的松散岩石已经紧紧挤入并接管了载荷。
研究人员发现，煤柱的大小至关重要。如果煤柱太窄，它很容易破碎。如果大小适中（在他们的测试中约为 100 毫米宽），第一个峰值会很强。但如果煤柱变得更宽，第一个峰值实际上会变弱，因为煤本身内部有更多的隐藏裂缝（这种现象被称为“尺寸效应”）。然而，第二个峰值——即 强度——则是另一回事。随着煤柱变宽，它的强度会不断增加，遵循特定的数学曲线。
更有趣的是松散岩石的作用。团队发现，颗粒材料的高度（即使用了多少“包装泡沫”）起到了“增压器”的作用。堆放的岩石越多，第二个峰值的强度就越高。事实上，当填充高度达到 95 毫米时，第二个峰值的强度比完全没有岩石时高出了多达 6.48 倍！这表明，松散的岩石不仅仅是在填充空间；它还在积极地挤压煤，防止其完全崩塌，并在煤受损后承担起重量。
他们还测试了不同类型的岩石尺寸。他们发现，具有更高“内摩擦角”（一种表示岩石更粗糙、抓握力更强的专业说法）的岩石会让整个系统变得更强。岩石越粗糙，它们对煤的束缚效果就越好。
作者建立了一个数学模型来解释这一现象，将煤柱视为一堵墙，而将松散岩石视为挤压它的土壤。他们意识到，随着煤的开裂，松散岩石会产生反向挤压（就像压缩的弹簧一样），产生一种“被动土压力”，从而挽救结构。这个过程分为三个阶段：第一，煤承载重量；第二，煤开裂但岩石开始挤压它；第三，岩石与破碎的煤协同工作，共同支撑起顶部的重量。
论文得出结论，这种“煤柱加回填”的方法是安全回收那些被困边坡煤的一种极具前景的方式。通过使用合适的松散岩石量和合适的煤柱尺寸，矿工可以创造出一种不仅能在初始破裂中幸存，而且在沉降过程中反而变得更强的结构。虽然这些结果来自小型实验室模型，仍需在实际矿井中进行测试，但研究结果表明，用松散岩石填充间隙可能是保持地面稳定、挽救那些本会被永久遗失的宝贵煤炭资源的钥匙。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。