Efectos de la concentración de masa y la edad de curado en las propiedades mecánicas y la evolución del daño del relleno de arena eólica

Rellenar huecos ocultos para mantener las minas seguras

Muy por debajo de algunas minas de carbón a cielo abierto se encuentran túneles y espacios vacíos más antiguos, denominados goafs, dejados por explotaciones anteriores. Si estos huecos ocultos no se apoyan adecuadamente, el terreno suprayacente puede hundirse o colapsar, poniendo en peligro a trabajadores, equipos y poblaciones cercanas. Este estudio explora cómo convertir la arena eólica en un material de relleno resistente y fiable que pueda soportar con seguridad la roca sobre estos antiguos huecos, al tiempo que recicla residuos locales y reduce la necesidad de la escasa arena de río.

Convertir la arena del desierto en un material de soporte

Los investigadores se centraron en la arena eólica —arena fina transportada por el viento, común en el noroeste de China— como ingrediente principal del relleno de mina. Mezclaron esta arena y loess (un suelo rico en limo) con un aglutinante fabricado a base de cemento y ceniza volante, luego añadieron agua para crear una lechada bombeable. Una vez bombeada a los huecos subterráneos, esta mezcla se endurece formando una “roca artificial” sólida que apuntala las capas superiores. Para evaluar el rendimiento de este material, el equipo preparó cilindros de tamaño estándar con distintas “concentraciones de masa” (la proporción de material sólido en la mezcla) que iban del 74 % al 80 %, y los curaron durante periodos de 3 a 28 días.

Ensayar resistencia, rigidez y falla

Las muestras endurecidas se comprimieron en una máquina hasta su rotura, mientras sensores registraban los pequeños sonidos de fisuración en el interior del material. Estas pruebas mostraron que tanto la carga que podían soportar las muestras (resistencia) como su rigidez (qué poco se deformaban bajo carga) aumentaron de forma constante al hacer la mezcla más densa. Con una concentración de masa del 80 % y 28 días de curado, el material alcanzó su máxima resistencia y rigidez. El tiempo también fue importante: la resistencia no creció de forma lineal, sino que aumentó rápidamente en las dos primeras semanas y luego más lentamente, a medida que el cemento y la ceniza volante seguían reaccionando con el agua y uniendo los granos.

Escuchar las grietas y seguir la energía

Para entender mejor cómo falla el material, el equipo empleó monitorización de emisión acústica —es decir, “escuchar” la actividad de microgrietas— y analizó cómo se almacenaba y liberaba la energía mecánica durante la carga. A concentraciones más bajas, la fisuración comenzaba antes y se propagaba gradualmente por la muestra, produciendo muchas señales pequeñas y una falla más suave y dúctil. A concentraciones mayores, la estructura interna era más uniforme y fuertemente unida, por lo que el material podía almacenar más energía elástica, como un muelle comprimido. Justo antes de la rotura, esta energía acumulada se liberaba de forma repentina, produciendo una descarga intensa de señales acústicas y una fractura brusca y frágil. Al aumentar la concentración, la proporción de la energía de entrada almacenada elásticamente se incrementó, mientras que la fracción perdida en daño permanente y fricción disminuyó, revelando un cambio hacia fallas más fuertes pero más abruptas.

Observar la estructura interna

Los investigadores también examinaron la estructura interna del material con un microscopio de alta potencia. En mezclas con menor contenido sólido, el aglutinante no podía llenar completamente los huecos entre los granos de arena y suelo; el resultado fue una estructura suelta y porosa con muchos caminos por los que las grietas podían formarse y crecer. Al aumentar la concentración de masa, se formaron más productos de reacción que rellenaron estos vacíos, uniendo las partículas en una red más densa y homogénea. En la concentración más alta, el relleno se mostró compacto y bien unido, con muchas menos poros. Esta imagen microscópica coincide con los resultados mecánicos: estructuras más densas y mejor unidas condujeron a mayor resistencia y rigidez, pero también a una falla más súbita y frágil cuando se sobrecargaban.

Qué significa esto para una minería más segura y limpia

Para el público no especializado, el mensaje es claro: ajustando cuidadosamente cuánta materia sólida hay en la mezcla y cuánto tiempo se deja curar, los ingenieros pueden convertir la abundante arena del desierto en un soporte fuerte y predecible para antiguos trabajos mineros subterráneos. Concentraciones más altas y tiempos de curado adecuados crean una “roca artificial” más densa y uniforme que soporta más peso y proporciona un apoyo más fiable, aunque tiende a fallar de forma más repentina si se supera su límite. Estos conocimientos ofrecen a los diseñadores de minas orientación práctica para elegir recetas de mezcla y tiempos de curado que equilibren la seguridad, el uso de materiales y el impacto medioambiental en minas de carbón a cielo abierto.

Cita: 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

Palabras clave: relleno de mina, arena eólica, estabilidad de huecos subterráneos, resistencia del relleno cementado, minería de carbón a cielo abierto