Study on the properties and reasonable width of a phosphogypsum backfill body for gob-side entry retaining in a thick coal seam

在深邃的地底，煤层正等待着被开采，工程师们面临着一个持续存在且代价高昂的困境。当一层煤被开采后，上方的顶板自然会倾向于坍塌。为了保持巷道的安全以供后续作业，矿工们传统上会留下厚厚的未开采煤壁来支撑顶板。虽然这能保持地面稳定，但也意味着大量的珍贵资源被永久地锁在了地下，作为一种安全措施而无法开采。一种更高效的替代方案被称为“矸架侧进场法”（gob-side entry retaining），即沿着前一次开采留下的空隙边缘开凿一条新巷道。工程师们不再留下煤柱，而是利用一种特殊的填充材料建造一道人工墙。这种人造屏障能像煤柱一样有效地支撑顶板，但它允许矿工开采煤层中几乎所有的煤炭，将曾经的浪费转化为利润。挑战在于寻找一种既足够坚固以支撑大地，又足够易于泵入狭窄空间，且成本低于传统方案的材料。

在中国贵州的某座煤矿中，研究人员正在测试一种将工业问题转化为采矿资产的解决方案。该地区产生大量的磷石膏，这是化肥制造过程中的副产品，通常堆积成巨大的、占用大量土地的堆场。这种材料存在环境风险，包括可能通过氟化物和放射性元素污染地下水。由贵州理工学院工程师和当地矿业运营商领导的研究小组提出了一个简单的问题：这种丰富的废弃物能否转化为建造这些人工巷道墙壁的完美材料？他们的调查结合了实验室实验与复杂的计算机建模，不仅旨在确定这种材料是否有效，还要精确计算出墙体需要多厚才能确保安全。

研究人员首先将原始磷石膏（其形态为片状晶体的干粉）处理成可用的建筑材料。他们将其与水以及少量的化学添加剂混合，这些添加剂旨在使混合物流动顺畅并以适当的速度硬化。在实验室中，他们测试了数十种变化方案，通过调整一种称为“超塑剂”的物质的用量来改善流动性，并利用碱度来控制混合物的硬化速度。他们发现了一个最佳组合：低碱环境配合精确剂量的增流剂。这种配方使混合物能够保持足够的流动性，从而被泵入隧道壁与空矿间的狭窄空间，随后又能硬化成具有 12.5 兆帕压实强度的固体结构。这一强度足以满足地下开采严苛的安全标准，证明了当地的废弃物确实可以作为传统填充材料的可行替代品。

在确定了材料的特性后，团队转向了规模问题。在采矿业中，每一米的宽度都至关重要。较宽的墙壁更安全，但需要更多材料，且会减少煤炭开采的空间；较窄的墙壁节省资源，但存在坍塌风险。为了找到平衡点，研究人员使用了两种不同的数学方法来估算墙体需要承受的载荷。一种方法（他们称之为更保守、更安全的方法）计算了上方岩层的重量以及该重量如何压在新的墙体上。他们将此与第二种观察单个岩块可能如何移动和沉降的方法进行了对比。计算表明，墙体所需的强度高度取决于正在开采的煤层厚度以及上方岩层的重量。研究人员发现，煤层厚度是影响最大的单一因素：煤层越厚，所需的墙体就越强。其他因素，如巷道本身的宽度以及岩层之间的摩擦力，虽然也有作用，但并非关键。

为了模拟墙体在现实条件下的表现，团队对矿山的地址构造建立了详细的计算机模拟模型。他们模拟了巷道、周围岩石以及人工墙，并观察随着墙体宽度的变化，地面是如何移动的。他们测试了从不足 1 米到超过 3 米不等的宽度。模拟结果显示出一个清晰的模式：当墙体较窄时，巷道一侧的岩石会发生显著位移，向内挤压。随着墙体变宽，这种移动大幅下降。最剧烈的改善发生在墙体从窄小的 0.8 米增加到更稳固的 2.0 米的过程中。超过 2.0 米后，位移减少的幅度变得非常小，这表明进一步加宽墙体所带来的收益递减。计算机模型显示，在 2.0 米宽度下，墙体可以有效支撑上覆岩层，在保持巷道稳定的同时不会浪费材料。

这一发现的影响不仅限于保持巷道畅通。通过使用廉价且当地易得的材料，并确定 2.0 米的墙宽已足够，矿山可以回收显著更多的煤炭。研究人员计算得出，通过优化墙体宽度并使用这种新材料，与使用较宽且效率较低的墙壁相比，单采面可额外回收 9,681.1 吨煤炭。这代表了直接的经济效益，将废弃物处理问题转化为了额外的收入来源。虽然这项研究证实了材料强度达标且宽度安全，但作者指出，仍需进一步研究以确保墙体的长期耐久性，并充分了解该材料在多年内与地下水的相互作用。目前，这项工作为利用这种当地工业副产品提高煤矿效率、减少浪费提供了坚实的工程技术基础。