Mechanische Eigenschaften und Energieentwicklung von zementierten Tailings-Gesteinspulver-Verfüllungen unter einachsiger Druckbelastung: Einfluss von Gesteinspulverart und -gehalt

Bergbauabfälle in sicherere untertägige Stützung verwandeln

Der moderne Bergbau hinterlässt Berge fein zerkleinerten Gesteins, die als Tailings bezeichnet werden, und Haufen von Abraummaterial aus Steinbrüchen. Beides ist teuer zu lagern und kann Land und Wasser in der Nähe gefährden. Diese Studie untersucht eine Methode, um diese Abfälle in ein stärkeres, sichereres Baumaterial zu verwandeln, das zurück unter Tage gepumpt werden kann, um ausgearbeitete Hohlräume zu stützen — wodurch Kosten und Umweltrisiken gleichzeitig reduziert werden.

Warum Abraummaterial ein wachsendes Problem ist

In großen Bergbauregionen, einschließlich China, wurden Milliarden Tonnen Tailings aufgeschüttet, jährlich kommen Hunderte Millionen Tonnen neu hinzu. Diese riesigen Deponien belegen Fläche, können Schadstoffe abgeben und können im Extremfall katastrophal versagen. Eine vielversprechende Lösung besteht darin, Tailings mit Zement und Wasser zu einer dicken Suspension zu mischen und zurück in erschlossene Stollen und Kammern zu pumpen, wo sie zu künstlichem Gestein erhärten. Diese sogenannte Verfüllung trägt zur Stabilisierung des Gebirgs bei, begrenzt Bodensenkungen und bindet Abfälle sicher unter Tage. Konventionelle Verfüllungen benötigen jedoch oft teure chemische Zusatzstoffe oder synthetische Fasern, um die erforderliche Festigkeit und Dauerhaftigkeit zu erreichen, was Kosten und Umweltbelastung erhöht.

Gesteinspulver zusetzen, um bessere Verfüllungen zu schaffen

Die Forscher prüften eine einfache Idee: lokales Bruchgestein zu feinem Pulver mahlen und mit Tailings, Zement und Wasser mischen, um ein neues Material zu erzeugen, das sie zementierte Tailings–Gesteinspulver-Verfüllung (CTRPB) nennen. Sie konzentrierten sich auf drei sehr gebräuchliche Gesteine — Granit, Basalt und Marmor — und mischten jedes Pulver in verschiedenen Anteilen zu, von 3 % bis 15 % der Feststoffmasse. Zylindrische Proben wurden gegossen, 28 Tage ausgehärtet und dann in einem einachsigen Druckversuch belastet, bei dem die Probe gleichmäßig zusammengedrückt wird, während gemessen wird, welche Spannungen sie aushält und wie sie sich verformt und bricht. So konnte das Team Festigkeit, Steifigkeit und Versagensverhalten mit einer Standardverfüllung ohne Gesteinspulver vergleichen.

Wie sich das Material beim Zerdrücken verhält

Alle Proben zeigten beim Zusammendrücken vier deutliche Stadien: zunächst schlossen sich kleine Poren und Risse; als Nächstes verhielt sich das Material nahezu linear elastisch; dann breiteten sich Risse aus und das Material gab nach; schließlich, nach Erreichen der Spitzenfestigkeit, brach es und verlor einen Großteil seiner Tragfähigkeit. Gesteinspulver veränderte jedes dieser Stadien. In moderaten Mengen füllten die feinen Partikel die Zwischenräume zwischen den Tailingskörnern, schufen eine dichtere, homogenere Struktur und eine gleichmäßigere Kraftübertragung. Dadurch konnte die neue Verfüllung höhere Lasten tragen und sich vor dem Bruch stärker verformen. Wurde jedoch zu viel Gesteinspulver zugegeben, verdünnte dies den Zement, schwächte die Bindungen zwischen den Partikeln und die Festigkeit nahm wieder ab.

Festigkeit, Zähigkeit und gespeicherte Energie

Die leistungsfähigsten Mischungen enthielten etwa 9 % Basalt- oder Granitpulver bzw. etwa 12 % Marmorpulver. Im Vergleich zur einfachen Verfüllung erhöhten diese optimalen Mischungen die Druckfestigkeit um bis zu etwa 70 % und ermöglichten zudem größere Dehnungen bei der Spitzenlast. Interessanterweise ging der Elastizitätsmodul (Steifigkeit) tendenziell leicht zurück, wenn Gesteinspulver zugesetzt wurde, obwohl die Festigkeit zunahm. Dieser Kompromiss bedeutet, dass die modifizierte Verfüllung etwas nachgiebiger ist und vor dem Versagen mehr Energie aufnehmen kann. Durch die Betrachtung der Fläche unter den Spannungs‑Dehnungs-Kurven berechneten die Autoren, wie viel Energie die Proben elastisch speicherten und wie viel als Schädigung dissipiert wurde. Mit Gesteinspulver stiegen die Gesamtdichte der Energie sowie die gespeicherten und dissipierten Anteile deutlich — in einigen Fällen um das Zwei- bis Vierfache — und zeigen, dass CTRPB bei Belastung viel größere Energiemengen aufnehmen und abgeben kann.

Schädigung verfolgen und Versagen vorhersagen

Um besser zu verstehen, wann und wie die neue Verfüllung versagt, entwickelten die Forscher ein mathematisches „Schadens“-Modell, das nachzeichnet, wie interne Mikrorisse mit zunehmender Dehnung wachsen. Sie behandelten das Material, als sei es aus vielen winzigen Elementen aufgebaut, deren Festigkeiten statistisch variieren, und verwendeten dieses Konzept, um eine stückweise Gleichung an die gemessenen Spannungs‑Dehnungs-Kurven anzupassen. Das Modell erfasst vier Schadensstadien: ein unbeschädigtes Stadium, ein langsames anfängliches Schadensstadium, ein schnell ansteigendes Schadensstadium und ein finales Stadium, in dem sich der Schaden einpegelt, während die Probe das vollständige Versagen erreicht. Im Vor‑Peak-Bereich — bevor das Material seine maximale Festigkeit erreicht — stimmen die Modellvorhersagen gut mit den Experimenten überein, sodass Ingenieure es nutzen könnten, um abzuschätzen, wie nahe eine verfüllte Zone unter erwarteter Untertagebelastung am Versagen ist.

Was das für umweltfreundlichere, sicherere Bergwerke bedeutet

Kurz gesagt zeigt diese Studie, dass sorgfältig gewählte Mengen gewöhnlicher Gesteinspulver Bergbau- und Bruchabfälle in eine stärkere, energieabsorbierendere Verfüllung verwandeln können, die untertägige Hohlräume effektiver stützt. Sehr hohe Gesteinspulveranteile können das Material zwar nach dem Versagen spröder machen, die erhöhte Festigkeit und Energiebereitstellung vor dem Versagen bedeuten jedoch, dass CTRPB bei richtiger Auslegung den Bedarf an teuren Zusatzstoffen verringern und mehrere Abfallströme gleichzeitig verwerten kann. Für Bergbaubetriebe, die Abfallmengen reduzieren, Kosten senken und die Gebirgssicherheit erhalten wollen, bietet dieser Ansatz eine praxisnahe, wissenschaftlich gestützte Möglichkeit, Abraummaterial unter Tage nutzbar zu machen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Grubenverfüllung, Gesteinspulver, Tailings-Management, Untertagebau, Abfallverwertung