Auswirkungen der Massenkonzentration und des Aushärtealters auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadensentwicklung von äolischem Sand-Füllmaterial

Versteckte Hohlräume füllen, um Bergwerke sicher zu halten

Tief unter einigen Tagebau-Kohlenbergwerken liegen ältere unterirdische Stollen und Hohlräume, sogenannte Grubenhöfe (Goafs), die bei früheren Abbauarbeiten zurückgeblieben sind. Werden diese verborgenen Hohlräume nicht ausreichend abgestützt, kann die darüber liegende Oberfläche absinken oder einstürzen, was Arbeiter, Geräte und umliegende Gemeinden gefährdet. Diese Studie untersucht, wie windverwehter Wüstensand zu einem starken, verlässlichen Verfüllmaterial verwandelt werden kann, das das darüber liegende Gestein sicher stützt und zugleich lokales Abfallmaterial recycelt und den Bedarf an knapper Flusssandressource reduziert.

Wüstensand als Stützmaterial nutzbar machen

Die Forschenden konzentrierten sich auf äolischen Sand — feinen, vom Wind transportierten Sand, der im Nordwesten Chinas verbreitet ist — als Hauptbestandteil der Bergwerksverfüllung. Sie mischten diesen Sand und Löss (ein siltreiches Bodenmaterial) mit einem Bindemittel aus Zement und Flugasche und fügten Wasser hinzu, um eine pumpfähige Suspension zu erzeugen. Nach dem Einpumpen in unterirdische Hohlräume härtet diese Mischung zu einem festen „künstlichen Gestein“ aus, das die darüber liegenden Schichten stützt. Um die Leistungsfähigkeit dieses Materials zu prüfen, stellten die Forschenden standardisierte Zylinderproben mit unterschiedlichen „Massenkonzentrationen“ (dem Anteil an Feststoffen in der Mischung) von 74 % bis 80 % her und härten sie über verschiedene Zeiträume von 3 bis 28 Tagen aus.

Prüfung von Festigkeit, Steifigkeit und Versagen

Die gehärteten Proben wurden in einer Druckprüfmaschine bis zum Bruch belastet, während Sensoren für winzige Knackgeräusche im Material hörten. Die Tests zeigten, dass sowohl die tragbare Last (Festigkeit) als auch die Steifigkeit (wie wenig sie sich unter Belastung verformten) stetig zunahmen, je dichter die Mischung war. Bei einer Massenkonzentration von 80 % und 28 Tagen Aushärtung erreichte das Material seine höchste Festigkeit und Steifigkeit. Auch die Zeit spielte eine Rolle: Die Festigkeit wuchs nicht linear, sondern nahm in den ersten beiden Wochen schnell zu und verlangsamte sich danach, da Zement und Flugasche weiterhin mit Wasser reagierten und die Körner miteinander vernetzten.

Auf Risse hören und Energie verfolgen

Um das Versagensverhalten besser zu verstehen, nutzten die Forschenden akustische Emissionsüberwachung — im Wesentlichen das „Zuhören“ mikroskopischer Rissaktivität — und analysierten, wie mechanische Energie während der Belastung gespeichert und freigesetzt wurde. Bei geringeren Konzentrationen begannen Risse früher und breiteten sich allmählich durch die Probe aus, was viele kleine Signale und ein sanfteres, duktileres Versagen erzeugte. Bei höheren Konzentrationen war die innere Struktur homogener und stärker verkittet, sodass das Material mehr elastische Energie speichern konnte, ähnlich einer gespannten Feder. Kurz vor dem Bruch wurde diese gespeicherte Energie plötzlich freigesetzt, was einen Ausbruch intensiver akustischer Signale und einen scharfen, spröden Bruch zur Folge hatte. Mit steigender Konzentration nahm der Anteil der elastisch gespeicherten Eingangsenergie zu, während der Anteil, der in bleibende Schäden und Reibung verloren ging, abnahm — ein Hinweis auf eine Verschiebung hin zu stärkerem, aber abrupterem Versagen.

Die innere Struktur im Blick

Die Forschenden untersuchten das Gefüge des Materials außerdem unter einem leistungsstarken Mikroskop. In Mischungen mit geringerem Feststoffgehalt konnte das Bindemittel die Zwischenräume zwischen Sand- und Bodenpartikeln nicht vollständig ausfüllen; das Ergebnis war ein lockeres, poröses Gefüge mit vielen Wegen, entlang derer Risse entstehen und wachsen konnten. Mit steigender Massenkonzentration bildeten sich mehr Reaktionsprodukte, die diese Hohlräume füllten und die Partikel zu einem dichteren, gleichmäßigeren Netzwerk verbanden. Bei der höchsten Konzentration erschien die Verfüllung kompakt und gut verkittet, mit deutlich weniger Poren. Dieses mikroskopische Bild stimmte mit den mechanischen Prüfergebnissen überein: dichtere, besser verkittete Strukturen führten zu höherer Festigkeit und Steifigkeit, aber auch zu einem plötzlicheren, spröderen Versagen bei Überlastung.

Was das für sichereren, saubereren Bergbau bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: Durch sorgfältiges Abstimmen des Feststoffanteils in der Mischung und der Aushärtezeit können Ingenieure reichlich vorhandenen Wüstensand in eine starke, vorhersehbare Stütze für alte unterirdische Bergwerksbereiche verwandeln. Höhere Konzentrationen und ausreichende Aushärtezeiten erzeugen ein dichteres, homogeneres „künstliches Gestein“, das mehr Gewicht trägt und verlässlicheren Halt bietet, wenngleich es bei Überschreitung seiner Grenzen tendenziell plötzlicher versagt. Diese Erkenntnisse liefern Bergwerksplanern praktische Hinweise zur Wahl von Mischrezepturen und Aushärtezeiten, die Sicherheit, Materialeinsatz und Umweltaspekte im Tagebau in Einklang bringen.

Zitation: Zhao, G., Zhang, Y., Zhang, G. et al. Effects of mass concentration and curing age on the mechanical properties and damage evolution of aeolian sand backfill. Sci Rep 16, 6321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37254-y

Schlüsselwörter: Stollenverfüllung, äolischer Sand, Stabilität unterirdischer Hohlräume, Festigkeit zementierter Verfüllung, Tagebaukohleabbau