تطور المقاومة في المراحل المبكرة وآلية الانتقال من هش إلى لدن لملاط الردم المسلح بألياف البازلت

دعامات جوفية أقوى من مخلفات الصخور

غالبًا ما تضخ المناجم الحديثة خليطًا من الصخور المسحوقة والأسمنت إلى الأنفاق الفارغة لحمل السقف والحد من هبوط السطح. لكن هذه الأعمدة المصنعة قد تتصدع فجأة، ما يهدد سلامة العاملين. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لإضافة ألياف بازلت دقيقة إلى هذا الردم أن تجعله أقوى وأقل هشاشة خلال الأسابيع الأولى الحاسمة بعد الوضع.

لماذا يحتاج ردَم المناجم إلى تطوير

الردم الذي دُرِس هنا يُسمى ملاط الردم المُثبت بالأسمنت، ويتكوّن في الغالب من مخلفات الصخور، والرماد المتطاير، وكمية صغيرة من الأسمنت الممزوجة بالماء. بعد تصلبه، يساعد على تحمل وزن الصخور الموجودة فوقه. غير أن الخلطات التقليدية تميل إلى التصرف كحجر هش: تقاوم الضغط حتى حد ثم تفقد قوتها بسرعة عندما يتكون شق رئيسي. أراد الباحثون أن يتصرف الردم بشكل أشبه بمادة متينة ومرنة قليلاً يمكنها التشوه ونشر الضرر بدلًا من الفشل المفاجئ الكلي.

ألياف دقيقة ووظيفة كبيرة

مزج الفريق ألياف بازلت قصيرة مفرومة في الردم بنِسَب وزنية مختلفة، من دون ألياف وحتى 0.60 في المئة من الكتلة الصلبة، وعالجوا العينات لمدة تتراوح بين 3 و60 يومًا. ثم ضغطوا الأسطوانات في آلة اختبار لتسجيل الحمولة التي يمكنها تحملها ومقدار الإجهاد قبل الفشل. برزت نسبة ألياف 0.30 في المئة: بعد 28 يومًا، كانت مقاومة الانضغاط أعلى بنحو ثُلثي ومنحنى الإجهاد الأعلى أعلى بنحو ثلث مقارنةً بالعينات الخالية من الألياف. والأهم للعمليات التعدينية الفعلية، بين اليوم الثالث واليوم السابع قفزت مقاومة هذا المزيج بأكثر من أربعة أضعاف، لتصل إلى مستوى يمكنه دعم عمليات التعدين المبكرة قرب منطقة الردم فعليًا.

من التصدع المفاجئ إلى الضرر المسيطر عليه

لرصد كيفية تفتت المادة، استمع الباحثون للإشارات الصوتية الصغيرة الناتجة عن نمو الشقوق وراقبوا السطوح بكاميرات وأدوات تصوير رقمي. في الردم العادي، سادها تشقق انفتاحي مستقيم قطع العينة بسرعة، مما أدى إلى فقدان مفاجئ في القدرة الحاملة. مع الألياف، انحرفت الشقوق وتفرعت وأحيانًا أُجبرت على مسارات انزلاق، مكونة شبكة أكثر تعقيدًا من الشقوق الصغيرة. عند محتوى الألياف الأمثل، انتشر الضرر بنمط مائل ومختلط بدلًا من انقسام عمودي واحد، وأصبح الانخفاض ما بعد الذروة في المقاومة أقل حدة. دعمت المحاكاة الحاسوبية لعدد كبير من الجسيمات المترابطة هذه الصورة، مبيّنة شرائح انهيار أكثر عددًا لكنها أصغر حجمًا وزيادة في حالات فشل الملامسة من نوع القص عندما كانت الألياف حاضرة.

ما يحدث داخل البنية على المستوى المجهري

كشفت صور المجهر الإلكتروني سبب أهمية الألياف إلى هذا الحد. في الردم العادي، تركت جل الأسمنت المتصلب والبلورات العديد من المسام والبقع الضعيفة التي يمكن أن تبدأ منها الشقوق. في العينات المسلحة بالألياف، كانت ألياف البازلت مغلفة بطبقة كثيفة من نواتج التفاعل المائي التي ربطتها بقوة بالمصفوفة المحيطة. عمل هذا التماس الثلاثي بين الألياف ومنتجات الأسمنت وجسيمات الصخر كمرابط وجسور دقيقة. عندما اقترب شق من ألياف، كان يميل إلى الانحناء أو التشقق أو الإبطاء بدلًا من أن يقطع مباشرةً عبرها. ومع ذلك، عند إضافة الكثير من الألياف، تجمعت معًا مكونة فراغات وأشرطة ضعيفة جديدة، ما قد يعيد توجيه التصدعات السريعة ويقلل الفائدة.

آثار على تعدين أكثر أمانًا وأنظف

بالنسبة للشروط المختبرة، قدّمت نسبة ألياف البازلت القريبة من 0.30 في المئة أفضل توازن بين المقاومة المبكرة واللدونة ومقاومة الانهيار المفاجئ. يمكن تصنيع هذا الردم المحسّن إلى حد كبير من مخلفات المناجم مع توفير دعم سقفي أكثر ثباتًا خلال الأسبوع الأول وما بعده. وعلى الرغم من أن هناك حاجة لمزيد من العمل تحت الضغوط الأعلى الموجودة فعليًا تحت الأرض، تشير هذه النتائج إلى أن الجرعات المحسوبة من الألياف يمكن أن تحول ردَم المناجم الهش إلى دعم أقوى وأكثر موثوقية يساهم أيضًا في إعادة تدوير مخلفات الصخور.

الاستشهاد: Mao, J., Shi, X., Feng, J. et al. Early-age strength evolution and brittle-to-ductile transition mechanism of basalt-fiber-reinforced cemented gangue backfill. Sci Rep 16, 15141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46049-0

الكلمات المفتاحية: ألياف البازلت, ملاط الردم الممنوحن بالأسمنت, المقاومة في المراحل المبكرة, دعم سقف المنجم, تطور الشقوق