מחקר על אפקט גודל הנזק ב־cemented paste backfill בתנאי יחס חול–מלט גבוה

מדוע גודל התמיכה התת‑קרקעית משנה

במכרות מודרניים רבים משאבים סוג של "סלע מלאכותי" הנקרא cemented paste backfill לתוך מנהרות ריקות כדי למנוע קריסת הקרקע. החומר מורכב משיירי סלע כתושים (זנבות), מים וכמות קטנה של מלט. עבור הבטיחות על מהנדסים לדעת בוודאות כמה החומר הזה חזק — אך מסתבר שהחוזק תלוי לא רק בהרכבו, אלא גם בגודל ובצורת החלקים שנבדקים במעבדה. המחקר הזה שואל שאלה פשוטה אך חשובה: כאשר משנים את היחס בין חול למלט ואת צורת גוש הבדיקה, עד כמה מדידות החוזק סטיות מהחוזק האמיתי של החומר הקבור עמוק בקרקע?

כיצד מכרות משתמשים בזבל סלע לשמירה על יציבות

בכריית backfill שאריות הסלע מעיבוד העפרה מעורבבות עם מים ומלט, ואז נשאבות לחללים תת‑קרקעיים ריקים. לאחר שהחומר מתקשה, הוא תומך בתקרות ובקירות ומאפשר חילוץ נוסף של העפרה מבלי לגרום לקריסות מסוכנות. חוזק העיסה המוצקה — היכולת שלה לעמוד בלחיצה ולמניעת מעיכה — משפיע ישירות על כמה רחבים וגבוהים יכולים להיות החדרים התת‑קרקעיים. מאחר שרבות מהמכרות משתמשים בתערובות עם הרבה חול וכמעט בלי מלט (יחסי חול–מלט גבוהים) כדי לחסוך עלויות, החומר המתקבל יכול להיות חלש יחסית. מדידה מדויקת של חוזקים נמוכים כאלה על מכונות בדיקה סטנדרטיות קשה, ולכן חוקרים לעתים קרובות משנים את גודל או צורת הדגימות במעבדה. הנוחות הזו, עם זאת, עלולה לעוות את התוצאות בשקט.

בדיקת צורות ותערובות שונות

המחברים הכינו הרבה גושים של cemented paste backfill בעזרת שלושה יחסי חול‑מלט (מ־8:1 ועד 24:1) ושלושה אחוזי מוצק (71–73 אחוז), המשקפים תנאי מכרה אמיתיים. הם התמקדו בשלוש צורות פשוטות עם יחס גובה‑רוחב שונה: גוש קצר ורחב, קובייה, וטור גבוה ודק. לאחר 28 ימי התקשות, כל דגם נלחץ במדחס עד לכשל. הצוות השתמש בכלים סטטיסטיים כדי לראות עד כמה כל גורם — יחס התערובת, אחוז המוצק וצורת הדגם — השפיע על חוזק המידה. הם גם בנו מודלים חישוביים בתוכנת אלמנטים סופיים כדי להציץ בתוך הדגימות ולחזות כיצד מתפתחים הלחצים לפני הכשל.

מה הצורות חושפות על לחצים נסתרים

הניסויים הראו מגמות ברורות. כשהכמות של המלט ירדה (יחס חול‑מלט גבוה יותר), החוזק ירד באופן חדה — עד כשלושת רבעי בטווח הנבדק — מכיוון שהיה פחות חומר דביק שיבליט את הגרעינים יחד. העלאת אחוז המוצק החזקה את העיסה במעט על ידי הקטנת הנקבוביות הפנימית, אך אפקט זה היה מתון. עם זאת, צורת הדגם שיחקה תפקיד מפתיע וגדול: תחת אותה תערובת ואותו אחוז מוצק, הגושים הקצרים והרוחבים נראו החזקים ביותר, הקוביות מעט חלשות יותר והטורים הגבוהים החלשים ביותר. תצפיות מוקפדות על דפוסי הסדקים הראו שדגמים קצרים נטו להיסדק באופן אנכי, בעוד דגמים גבוהים כשלו לאורך קווים אלכסוניים בצורת X, מה שמעיד על מצבי לחץ פנימיים שונים.

מדוע גושים קצרים נראים חזקים יותר ממה שהם באמת

כדי להבין את ההבדלים הללו בחנו המחברים כיצד לוחיות הטעינה בחלקו העליון והתחתון של הדגימות מגבילות את החומר. בגושים הקצרים החיכוך נגד הלוחיות מנע בצורתיות את הבטן של הקירות בקרבת הקצוות. הדבר יצר אזורים קונוסיים דחוסים היטב בשני הקצוות שהצטלבו במרכז, והביאו את רוב החומר למצב דחיסה תלת‑ממדי שהופך אותו לחזק לכאורה יותר ממה שהוא באמת. בטורים הגבוהים רק אזורים דקים בקרבת הלוחיות היו מוגבלים מאוד; הקטע הארוך שבאמצע חווה בעיקר לחיצה בכיוון אחד, יותר כמו הלחץ שהחומר חווה מתחת לפני הקרקע. סימולציות מחשב אישרו תמונה זו, והראו ריכוזי מתח עזים בקרבת קצות הגושים הקצרים ולחצים יותר אחידים במרכז הטורים הגבוהים.

המרת תוצאות מעבדה לחוזק אמת בשטח

מכיוון שהדגמים הגבוהים ביותר פחות מעוותים על‑ידי השפעות הקצה האלה, החוזק שנמדד בהם משקף באופן הקרוב ביותר את החוזק האמיתי של ה‑backfill במכרה. באמצעות כל מערך נתוני הבדיקה בנו החוקרים יחסים מתמטיים המתרגמים את החוזק הנמדד של גושים קצרים או קובייתיים לערכים המקבילים לדגמים גבוהים. נוסחאות המרה אלה, התקפות לתחומי התערובת ואחוזי המוצק שנבדקו, מספקות כלי פרקטי למהנדסים: הם יכולים להמשיך להשתמש בגדלי דגימה נוחים במעבדה ואז לתקן את התוצאות כדי להתאים טוב יותר להתנהגות בשטח. בכך המחקר מסייע להבטיח שתמיכת הקרקע התת‑קרקעית לא תהיה תחת־תכנון שמסכן בטיחות, ולא תהיה יתר־תכנון שמבזבזת מלט וכסף.

ציטוט: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

מילות מפתח: חומר מילוי דחוס בצמנט, תמיכת קרקע במכרה, אפקט גודל, יחס חול–מלט, חוזק לחיצה