תכונות מכניות והתפתחות אנרגיה במילוי חוזר מבטון-אבקת סלע תחת דחיסה חד‑צירית: השפעת סוג ותכולת אבקת הסלע

הפיכת פסולת כרייה לתמיכה תת‑קרקעית בטוחה יותר

הכרייה המודרנית מותירה מאחור הרים של סלע טחון דק הנקרא זנבות ומערמים של שאריות מאתרים. שניהם יקרים לאחסון ועלולים לסכן את הקרקע והמים בסביבה. מחקר זה בוחן דרך להפוך את הפסולות האלה לחומר בנייה חזק ובטוח יותר שניתן להזרים חזרה לתוך המכרה כדי לתמוך בחללים שרוקנו, ובכך להקטין עלויות וסיכונים סביבתיים גם יחד.

למה שאריות סלע הן בעיה גוברת

באזורי כרייה מרכזיים, כולל סין, נערמו מיליארדי טונות של זנבות, ונוספים מאות מיליוני טונות מדי שנה. ערימות ענקיות אלה תופסות קרקע, עלולות לדלוף מזהמים ובמקרים נדירים עלולות להיכשל באופן קטסטרופלי. פתרון מבטיח הוא לערבב זנבות עם מלט ומים ליצירת דייסה סמיכה שמוזרמת חזרה לתעלות ולחדרים שפונו בכרייה, שם היא מתקשה והופכת לסוג של סלע מלאכותי. מה שנקרא מילוי חוזר זה מסייע לתמוך בקרקע, מצמצם שקיעה שטחית ומחביא את הפסולת בבטחה מתחת לפני השטח. אך מילוי מסורתי דורש לעתים תוספים כימיים יקרים או סיבים סינתטיים כדי להגיע לחוזק ועמידות נדרשים, מה שמעלה גם עלויות וגם חששות סביבתיים.

הוספת אבקת סלע לשיפור המילוי החוזר

החוקרים בחנו רעיון פשוט: לטחון פסולת סלע מקומית מאתרי חציבה לאבקה דקה ולערבבה עם זנבות, מלט מים כדי לייצר חומר חדש שהם קוראים לו מילוי חוזר מזורק־אבקת סלע מחוזקת במלט (CTRPB). הם התמקדו בשלוש סוגי סלע נפוצים—גרניט, בזלת ושיש—וערבבו כל אבקה ברמות שונות, מ‑3% עד 15% מהחומר המוצק. דגמים גליליים יצוקו, התייצבו במשך 28 ימים ואז נבדקו בדחיסה חד‑צירית, שם הדוגמה נמעכת בהדרגה בזמן שמודדים את העומס שהיא יכולה לשאת ואת ההתעוות והכשל. זה איפשר לצוות להשוות חוזק, קשיחות והתנהגות כשל מול מילוי סטנדרטי ללא אבקת סלע.

כיצד החומר מתנהג תחת מעיכה

כל הדגימות הציגו ארבעה שלבים ברורים במהלך הדחיסה: תחילה נסתמו נקבוביות וסדקים זעירים; לאחר מכן החומר התנהג באופן אלסטי כמעט קווי; אחר כך סדקים התפשטו והחומר נשבר באופן פלסטי; ולבסוף, לאחר השיא, הוא נשבר ואיבד רבות מיכולת נשיאת העומס. אבקת הסלע שינתה כל אחד מהשלבים האלה. בכמויות מתונות החלקיקים הדקים מילאו רווחים בין גרגרי הזנבות, יצרו מבנה צפוף ואחיד יותר והעברה חלקה יותר של כוחות. כתוצאה מכך המילוי החדש יכל לשאת עומסים גבוהים יותר ולהתעוות יותר לפני הכשל. עם זאת, כאשר נוספה יותר מדי אבקת סלע, המלט נותרן, הקשרים בין החלקיקים התחלשו והחוזק החל לרדת שוב.

חוזק, קשיחות ואנרגיה מאוחסנת

התערובות הביצועיות ביותר היו אלה עם כ‑9% אבקת בזלת או גרניט וכ‑12% אבקת שיש. בהשוואה למילוי הפשוט, תערובות אופטימליות אלה הגדילו את חוזק הלחיצה בעד כ‑70% בקירוב, ובו בזמן איפשרו עיוותים גדולים יותר בעומס השיא. באופן מעניין, הקשיחות (מקדמי האלסטיות) נטו לרדת קלות עם הוספת אבקת סלע, אף שגם החוזק עלה. פשרה זו משמעותה שהמילוי המותאם יכול להתכופף קצת יותר ולספוג אנרגיה רבה יותר לפני הכשל. באמצעות בחינת השטח מתחת לעקומות הפגיעה‑עיוות חישבו המחברים כמה אנרגיה הדגימות אחסנו בצורה אלסטית וכמה התפזרה כפגיעה. עם אבקת סלע, צפיפות האנרגיה הכוללת והכמויות האוחסנות והמופרות עלו באופן חד—במקרים מסוימים יותר משכפול של פעמיים עד ארבע—מה שמראה כי CTRPB יכול לקלוט ולשחרר כמויות אנרגיה גדולות בהרבה בעת העמסה.

מעקב אחרי נזק וחיזוי כשל

כדי להבין טוב יותר מתי וכיצד המילוי החדש נכשל, הצוות בנה מודל מתמטי של "נזק" שעוקב אחר גדילת מיקרוסדקים פנימיים ככל שהעיוות גדל. הם התייחסו לחומר כאוסף של אלמנטים זעירים שעוצמותיהם משתנות סטטיסטית והשתמשו במסגרת זו כדי להתאימם משוואה מקוטעת לעקומות הפגיעה‑עיוות הנמדדות. המודל מתאר ארבעה שלבי נזק: שלב ללא נזק, שלב נזק איטי ראשוני, שלב נזק בעל עלייה מהירה ושלב סופי שבו הנזק מתייצב כאשר הדוגמה מגיעה לכשל מוחלט. באזור שלפני השיא—לפני שהחומר מגיע לחוזקו המקסימלי—תחזיות המודל תואמות את הניסויים היטב, כך מהנדסים יוכלו להשתמש בו להערכת כמה קרוב אזור ממולא לכישלון תחת עומסים תת‑קרקעיים צפויים.

מה משמעות הדבר לכרייה ירוקה ובטוחה יותר

באופן פשוט, המחקר מראה כי כמויות מבוקרות של אבקות סלע נפוצות יכולות להפוך פסולת מכרה וחציבה לחומר מילוי חזק יותר וסופג אנרגיה טוב יותר שתומך בחללים תת‑קרקעיים באופן יעיל יותר. אף כי תכולות אבקה גבוהות מאוד עשויות להפוך את החומר לקל יותר לשבירה לאחר הכשל, חוזק והאחסון האנרגטי המוגברים לפני הכשל מצביעים על כך ש‑CTRPB, בתכנון נכון, יכול לצמצם את הצורך בתוספים יקרים ולעזור לצרוך מספר זרמי פסולת בו‑זמנית. עבור מפעלות כרייה המעוניינות להקטין כמויות פסולת, להוריד עלויות ולשמור על יציבות קרקע, שיטה זו מציעה מתכון מעשי ומגובה מדעית לשימוש בפסולת הסלע בתת‑הקרקע.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מילוי מכרה, אבקת סלע, ניהול סדימות, כרייה תת‑קרקעית, מיחזור פסולת