《Powder Technology》：Load-bearing and energy absorption mechanism of superhigh-water material backfilling for rock burst prevention in deep coal mine
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•微孔水化硫铝酸钙（Ettringite）与水化硅酸钙（C-S-H）凝胶网络通过延性孔隙压实驱动能量吸收。•孔隙压实与微裂隙演化驱动最大回填能量吸收量达 42.14 kJ。•有效的能量缓冲将围岩能量释放量限制在 9.01 kJ，可靠地防止冲击地压灾害。引言冲击地压是由地下岩土
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微孔水化硫铝酸钙（Ettringite）与水化硅酸钙（C-S-H）凝胶网络通过延性孔隙压实驱动能量吸收。
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孔隙压实与微裂隙演化驱动最大回填能量吸收量达 42.14 kJ。
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有效的能量缓冲将围岩能量释放量限制在 9.01 kJ，可靠地防止冲击地压灾害。
引言
冲击地压是由地下岩土工程中能量积聚引起的动力灾害，可能造成大量人员伤亡和设备损毁[1], [2], [3], [4]。现阶段，刚性-柔性联合支护被公认为预防和控制冲击地压灾害最有效的方法。然而，在实际开采过程中，这种防治措施会产生高额的支护成本，且无法有效防止因采空区断层滑动引发的冲击地压[5]。此外，动态表面支护能够有效吸收冲击地压发生时产生的应变能和振动能，同时还能进一步提高支护的强度和刚度。锚杆、锚索、喷射混凝土和混凝土支护等传统支护方法在静载荷条件下具有非常好的支护效果，但在地震、冲击地压和爆破等动载荷条件下的支护效果不佳[6]。回填采空法已被大量工程实践验证，可有效控制覆岩变形、减轻地表沉陷并防止冲击地压灾害[7], [8], [9]。垮落法与回填采空法的覆岩迁移与能量演化特征如图 1 所示。超高水材料具有速凝早强、孔隙发育和绿色环保等特点。与传统尾砂回填和水泥化浆体回填相比，超高水材料消除了对固体填料骨料长距离运输的需求，减少了矿山固废处置的碳排放，同时其简单的浆体制备和管道泵送工艺也有效降低了回填采空的综合成本。超高水回填采空技术组织简单，对地质条件适应性强，已在邯郸、永城、济宁等矿区成功应用。研究深部煤矿中超高水材料回填采空的能量吸收与承载机理，对于实现深部煤层安全高效开采和生态环境保护具有重要意义[10], [11], [12], [13]。
关于回填材料力学行为的研究，Fall 等[14], [15]对水泥化浆体回填进行了单轴和 triaxial 压缩试验的对比分析，证明其强度特征受材料组成、养护龄期和围压控制。Yilmaz 等[16]认为，通过加压排除多余孔隙水可有助于改善水泥化浆体的压实过程。对于水泥化尾砂浆体，Cao 等[17]研究了回填时间、回填间隔和回填面倾角对其单轴抗压强度的影响规律。Yin 等[18]和 Hou 等[19]研究了不同质量分数、粗骨料和尾砂配比对浆体回填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律。随后，他们开展了全尾砂水泥化回填的冲击加载试验，获得了回填体的动力力学性能和破坏规律。Feng 等[20]和 Ding 等[21]对不同水灰比的超高水回填试样基本性能进行了实验表征，涵盖了抗压强度、体应变、凝结时间和结构稳定性等核心指标。总体而言，国内外研究者已对水泥化浆体回填和超高水回填开展了大量实验研究，为探究回填材料的力学性能奠定了坚实的实验基础。尽管已有大量实验研究，但现有研究很少关注超高水回填在高应力环境下的能量吸收、承载能力和防冲击地压的力学响应特征。
本文从微观、宏观视角和工程实践三个层面揭示了超高水回填采空防冲击地压的机理。采用 X 射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）技术，基于超高水材料的基体理化性质，探讨其在能量吸收和防冲击地压方面的可行性。开展单轴压缩试验并结合声发射（AE）监测，追踪超高水回填在破坏过程中的弹性能释放强度和裂纹扩展规律，进一步明确回填体的能量释放模式和承载特性。在数值模拟部分，以山东省某煤矿超高水回填采空工作面为工程背景，探索超高水回填在实际工程条件下的能量吸收与释放规律。最后，根据上述矿井现场回填工作面获取的微观地震监测数据，证明超高水回填采空可有效防止和控制冲击地压。
章节摘要
试验方法与试验设备
本研究采用 XRD 和 SEM 等微观试验方法，研究了超高水材料的物相组成、微观形貌和孔隙特征，分析了超高水材料的理化性质，从微观角度探讨了超高水材料能量吸收与承载规律。随后，采用单轴压缩试验与声发射监测相结合的方式，捕捉载荷-时间曲线和声发射
项目概况
基于山东省某矿井 CG1311 采空工作面的煤层赋存条件，建立了超高水材料回填采空的数值模型，以研究超高水回填在采动影响下的能量吸收效果，并分析随工作面推进回填体的应力-应变特征和能量分布演化规律。
该矿井位于山东省，
回采巷道变形特征
采空巷道采用单体支柱、锚索和锚网的组合支护，巷道围岩变形量较小。轨道巷道采用三排双楔型铰接顶梁单体支柱支护。顶板支护锚杆采用锚杆支护，顶板覆盖金属网并挂钢筋网。侧帮支护同样采用锚杆支护，如图 14 所示。
为验证超高水回填的现场应用效果，
讨论与结论
目前，吸能锚杆是冲击地压防治的主要工程措施，其结合了高加固强度与优异的变形能力，可适应岩体运动。实验室测试表明，单根吸能锚杆可耗散高达 60 kJ 的能量。相比之下，虽然超高水材料回填每立方米约吸收 40 kJ 的能量，但其应用范围涵盖整个采空区而非仅
CRediT 作者贡献声明
刘超：原稿撰写、方法论、调查研究、经费获取、数据整理。王方田：审稿与编辑、监督指导、经费获取、概念构思。王文林：监督指导、方法论。胡世杰：项目管理、调查研究。刘国磊：监督指导、概念构思。蒋利帅：监督指导、概念构思。蔡武：形式分析。冯光明：数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的与本论文所报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得了以下机构的资金支持：国家自然科学基金委员会（52474151）；江苏省优秀青年基金项目（BK20250107）；江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX25_2801）；以及中国矿业大学研究生创新计划和中央高校基础研究基金（2025WLKXJ029）。
刘超|王方田|王文林|胡世杰|刘国磊|蒋利帅|蔡武|冯光明
