煤炭仍然是中国的主要能源，对维持国家快速经济发展起着关键作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。2024年，国内煤炭产量达到47.8亿吨，而消费量飙升至59.6亿吨标准煤[4]、[5]、[6]、[7]。然而，长期大规模开采浅层资源已逐渐耗尽这些储备，迫使许多采矿作业转向更深的矿层。这一转变带来了复杂的地质和生产挑战，通常表现为“三高一扰”——高地压、高地温、高气体浓度以及强烈的采矿引起的扰动[8]、[9]、[10]、[11]。与此同时，中国西部的煤电化工业综合体产生了大量的基于煤炭的固体废物，如煤矸石、粉煤灰和气化渣。传统的处置方法主要是地面储存，不仅消耗了大量土地资源，还带来了严重的环境污染风险[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。在中国推进生态文明建设的背景下[20]、[21]、[22]，煤炭行业面临着越来越严格的环境法规[20]、[21]、[22]。因此，减少固体废物和资源利用已成为该行业绿色转型的重要任务。在此背景下，集成采矿回填技术作为一种将深部采矿作业与固体废物管理相结合的有前景的战略应运而生[23]、[24]、[25]。
然而，基于煤炭的固体废物固有的反应性较低，导致回填材料早期强度发展缓慢，影响了其在高应力深部开采环境中的及时支撑能力。此外，回填工艺参数的设计传统上依赖于经验知识，缺乏对采空区变压条件下回填材料强度演变及其与围岩相互作用机制的全面理解。这些限制给实现采矿和回填作业之间的精确协调带来了重大挑战[26]、[27]、[28]。
全球范围内已经开展了大量关于回填材料特性和采矿工艺设计的研究。在材料活化领域，先前的研究探讨了碱激活固体废物回填材料的机制，并建立了其微观结构特性与机械性能之间的相关性[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。例如，Phoo-ngernkham T等人[43]表明，碱激活剂的类型和原材料组成共同决定了地质聚合物产品的相形成和机械性能。他们发现，促进钙硅酸盐水合物（C-S-H）形成的激活剂，尤其是在高渣含量的情况下，能够形成更致密的微观结构并提高抗压强度。同样，AS De Vargas等人[44]系统研究了Na₂O/SiO₂摩尔比和养护温度对粉煤灰基地质聚合物的影响，发现较高的N/S比（例如0.40）可以形成更致密的微观结构，从而获得最佳抗压强度。MNS Hadi等人[45]评估了粉煤灰特性和碱激活剂含量对粉煤灰基地质聚合物砂浆（FBGM）的影响，得出粉煤灰的固有特性对其反应性和所需激活剂剂量至关重要。他们的研究强调了一个基本原则：高反应性的粉煤灰需要较温和的活化条件（例如较低的AL/FA比0.5–0.6和有限的NaOH），而反应性较低的粉煤灰则需要更强的碱性环境才能达到最大强度。
在工艺和机制方面，先前的研究分析了各种回填材料和工艺参数在控制地层移动和地表沉降方面的有效性。Chang Qingliang等人[53]建立了回填采矿中顶板梁的力学模型，从理论上阐明了控制机制，并确定了预回填收敛性、回填与顶板接触不足和回填压缩速率等关键因素。他们的工作为分析回填与围岩的相互作用提供了有价值的理论框架。Wang Fangtian等人[54]专注于超高含水量回填工作面，利用力学建模和PFC数值模拟揭示了回填、支撑系统和煤体之间的协同承载机制，并进一步利用FLAC3D数值模拟优化了工艺参数。Lingjin Huang等人[55]结合理论、数值和实验方法研究了条带回填采矿中的覆盖层移动，证明15米煤柱和150米回填体的配置可以形成稳定的支撑结构，显著减轻覆盖层破坏和岩爆风险。然而，国内外大多数研究都集中在正常压力养护条件下回填材料的活化机制和采场的数值模拟[56]、[57]上。从注入时刻起，采空区内的回填材料就处于长期应力演变状态。受到自重固结、顶板压力和采矿引起的卸载等多种因素的影响，回填材料的物理化学和机械性能会发生显著变化。因此，在正常压力下养护的材料往往无法在采空区环境中达到所需的应力水平，可能影响煤矿作业的安全性和效率[58]。现有的关于变压养护的研究主要集中在使用金属矿渣的水泥浆体回填（CPB）[59]、[60]、[61]、[62]，而针对深部采空区特征的压力路径下基于煤炭的固体废物浆体（由煤矸石、粉煤灰、水泥和石灰组成）的系统研究相对较少。
为解决这一差距，本研究考虑了采空区的变压应力环境，并将材料实验与工艺模拟深度融合。研究了基于煤炭的固体废物浆体回填材料在变压条件下的性能，并优化了相应的回填工艺参数。建立了“材料优化-环境模拟-工艺设计”的综合研究框架。通过实验研究优化了激活剂的配比，并利用红外热成像结合超声波速度监测实时跟踪水化反应，从能量释放和结构演变的角度分析了活化机制。设计了在恒定温度和湿度下的逐步变压养护测试，以模拟采空区内上覆地层压力的动态变化，从而研究了在这种条件下的回填强度演变。从这些实验中得出的高性能回填参数被纳入FLAC3D数值模型。通过正交实验设计和双因素耦合分析，严格研究了回填强度、回填比例和填充间隔对围岩稳定性的影响，最终提出了一个与材料性能相匹配的最佳采矿回填协同方案。因此，本研究为在采空区变压条件下优化回填工艺参数提供了实验基础，具有重要的理论意义和实际价值，对于控制采矿沉降和减少固体废物消耗具有重要意义。
