الخصائص الميكانيكية وتطور الطاقة لمادة الردم الممزوجة بمسحوق الصخور والذيل تحت الضغط أحادي المحور: أثر نوع ومساحة مسحوق الصخر

تحويل نفايات التعدين إلى دعائم تحت أرضية أكثر أمانًا

يترك التعدين الحديث وراءه جبالًا من الصخور المطحونة ناعمًا تُعرف بالذائب وتراكمات من حجارة المحاجر المتبقية. كلاهما مكلف في التخزين ويمكن أن يشكل تهديدًا للأراضي والمياه المجاورة. تستكشف هذه الدراسة طريقة لتحويل هذه النفايات إلى مادة بناء أقوى وأكثر أمانًا يمكن ضخها مرة أخرى تحت الأرض لدعم الفراغات المستخرجة، مما يقلل التكاليف والمخاطر البيئية في آن واحد.

لماذا تعتبر الصخور المتبقية مشكلة متزايدة

في مناطق التعدين الكبرى، بما في ذلك الصين، تراكمت مليارات الأطنان من الذائب، مع مئات الملايين من الأطنان الجديدة تُضاف سنويًا. تشغل هذه المكبات مساحات من الأرض، ويمكن أن تتسرب منها ملوثات، وفي حالات نادرة قد تنهار بشكل كارثي. أحد الحلول الواعدة هو خلط الذائب مع الأسمنت والماء لإنشاء معجون كثيف يُضخ مرة أخرى إلى أنفاق وغرف المناجم الفارغة، حيث يتصلب ليشكل صخرًا صناعيًا. يساعد هذا النوع من الردم في دعم الأرض، ويحد من هبوط السطح، ويحبس النفايات بأمان تحت الأرض. لكن الردم التقليدي غالبًا ما يحتاج إلى إضافات كيميائية مكلفة أو ألياف صناعية لتحقيق القوة والمتانة المطلوبة، مما يزيد التكاليف والمخاوف البيئية.

إضافة مسحوق الصخر لصنع ردم أفضل

اختبر الباحثون فكرة بسيطة: طحن مخلفات المحاجر المحلية إلى مسحوق ناعم وخلطه مع الذائب والأسمنت والماء لصنع مادة جديدة يسمونها ردم الذائب–مسحوق الصخر المأسَّس (CTRPB). ركزوا على ثلاث صخور شائعة جدًا — الجرانيت والبازلت والرخام — وخلطوا كل مسحوق في الردم بنسب مختلفة، من 3% إلى 15% من المواد الصلبة. صُبّت عينات أسطوانية، وُجدّدت لمدة 28 يومًا، ثم ضُغِطت في اختبار ضغط أحادي المحور، والذي يسحق العينة تدريجيًا مع قياس مقدار الإجهاد الذي تتحمله وكيفية تشوهها وانهيارها. أتاح ذلك للفريق مقارنة القوة والصلابة وسلوك الفشل مع ردم قياسي بلا مسحوق صخري.

كيف تتصرف المادة تحت السحق

أظهرت جميع العينات أربع مراحل واضحة أثناء الضغط: أولًا، أغلقت المسام والشقوق الصغيرة؛ ثانيًا، امتدت المادة بشكل شبه خطي ومرن؛ ثالثًا، انتشرت الشقوق وبدأت المادة تستسلم؛ وأخيرًا، بعد الوصول إلى قوة الذروة، انهارت وفقدت كثيرًا من قدرتها على تحمل الأحمال. غيّر مسحوق الصخر كل مرحلة من هذه المراحل. عند كميات متوسطة، ملأت الجزيئات الدقيقة الفراغات بين حبيبات الذائب، مكونة بنية أكثر كثافة وتجانسًا وانتقالًا أملسًا للقوى. ونتيجة لذلك، استطاع الردم الجديد أن يتحمل أحمالًا أعلى ويتشوه أكثر قبل الانهيار. ومع ذلك، عندما أُضيفت كميات زائدة من مسحوق الصخر، قلت نسبة الأسمنت الفعالة، وضعفت الروابط بين الجزيئات، وبدأت القوة في الانخفاض مرة أخرى.

القوة والصلابة والطاقة المختزنة

كانت الخلطات الأفضل أداءً تلك التي تحتوي على نحو 9% من مسحوق البازلت أو الجرانيت وحوالي 12% من مسحوق الرخام. مقارنةً بالردم العادي، زادت هذه الخلطات المثالية مقاومة الانضغاط بما يصل إلى نحو 70% تقريبًا، مع السماح أيضًا بحدوث إنحرافات أكبر عند الحمل الأقصى. ومن الملاحظ أن صلابة المادة (معامل المرونة) تميل إلى الانخفاض قليلًا عند إضافة مسحوق الصخر، حتى مع ارتفاع القوة. هذا التبادل يعني أن الردم المعدل يمكن أن ينحني أكثر ويمتص طاقة أكبر قبل الفشل. من خلال فحص المساحة تحت منحنيات الشد–الانفعال، حسب المؤلفون مقدار الطاقة التي خزنّهات العينات بشكل مرن ومقدار ما أُبدد على شكل تلف. مع مسحوق الصخر، ارتفعت كثافة الطاقة الكلية وكميتا التخزين والإهدار بشكل حاد — بأكثر من ضعفين إلى أربعة أضعاف في بعض الحالات — مما يبيّن أن CTRPB قادر على امتصاص وإطلاق كميات طاقة أكبر بكثير أثناء التحميل.

تتبع التلف والتنبؤ بالفشل

لفهم أفضل لوقت وكيفية فشل الردم الجديد، بنى الفريق نموذجًا رياضيًا لـ «التلف» يتتبع كيف تنمو الشقوق الدقيقة الداخلية مع ازدياد الانفعال. عاملوا المادة كما لو كانت مكونة من العديد من العناصر الصغيرة التي تختلف قوتها إحصائيًا، واستخدموا هذا الإطار لمطابقة معادلة جزئية مع منحنيات الشد–الانفعال المقاسة. يلتقط النموذج أربع مراحل من التلف: مرحلة غير تالفة، ومرحلة تلف مبدئية بطيئة، ومرحلة تلف تتزايد بسرعة، ومرحلة أخيرة حيث يستقر مستوى التلف مع اقتراب العينة من الفشل الكامل. في المنطقة قبل الذروة — قبل أن تصل المادة إلى قوتها القصوى — تتطابق توقعات النموذج مع التجارب جيدًا، لذلك يمكن للمهندسين استخدامه لتقدير مدى قرب منطقة مملوءة بالردم من الفشل تحت الأحمال المتوقعة تحت الأرض.

ماذا يعني هذا لمناجم أكثر خضرة وأمانًا

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن كميات مختارة بعناية من مساحيق الصخور الشائعة يمكن أن تحول نفايات المناجم والمحاجر إلى ردم أقوى وأكثر امتصاصًا للطاقة يدعم الفراغات تحت الأرض بشكل أكثر فعالية. وبينما قد تجعل محتويات مسحوق الصخر العالية جدًا المادة أكثر هشاشة بعد فشلها، فإن القوة المتزايدة وقدرة تخزين الطاقة قبل الفشل تعني أنه عند التصميم السليم يمكن لـ CTRPB تقليل الحاجة إلى إضافات مكلفة والمساعدة في استهلاك تيارات نفايات متعددة في آن واحد. بالنسبة لعمليات التعدين التي تسعى لتقليل أحجام الطمر، وخفض التكاليف، والحفاظ على استقرار الأرض، يقدم هذا النهج وصفة عملية مدعومة علميًا لاستخدام صخر المخلفات تحت الأرض.

الاستشهاد: Zhang, J., Zou, Q., Cai, W. et al. Mechanical properties and energy evolution of cemented tailings-rock powder backfill under uniaxial compression: effect of rock powder type and content. Sci Rep 16, 5855 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y

الكلمات المفتاحية: ردم المناجم, مسحوق الصخور, إدارة الذائب, التعدين تحت الأرض, استخدام النفايات