一軸圧縮下におけるセメント結合尾鉱–岩粉充填材の力学特性とエネルギー変化：岩粉の種類と含有量の影響

鉱山廃棄物をより安全な地下支保工に変える

現代の鉱山活動は、細かく砕かれた岩石である尾鉱や、採石場に残る廃石の山を生み出します。これらは保管にコストがかかり、周辺の土地や水環境に脅威を与える可能性があります。本研究は、これらの廃棄物を強度の高い安全な材料に転換し、採掘後の空間にポンプで戻して支保することで、コストと環境リスクを同時に低減する方法を検討しています。

増え続ける廃石の問題

中国を含む主要な鉱山地域では、尾鉱が何十億トンと蓄積され、毎年数億トンの新たな堆積が加わっています。これらの広大なダンプは土地を占有し、汚染物質が漏れるおそれがあり、まれに破壊的な崩壊を引き起こすこともあります。有望な解決法の一つは、尾鉱をセメントと水と混合して粘性のあるスラリーを作り、空になった坑道や空間に注入して硬化させることです。これにより人工的な岩体が形成され、地盤の支持、地表沈下の抑制、および廃棄物の地下閉じ込めが期待できます。しかし従来の充填材料は、所要の強度や耐久性を得るために高価な化学添加剤や合成繊維を必要とすることが多く、コストと環境負荷が課題となっています。

岩粉を加えて改良する

研究者たちは単純な発想を試しました：地域の採石廃石を細かい粉末に粉砕し、尾鉱、セメント、水と混ぜて、新しい材料――セメント結合尾鉱–岩粉充填材（CTRPB）――をつくるというものです。対象としたのは一般的な花崗岩、玄武岩、大理石の3種類で、それぞれの粉末を固形分の3％から15％まで異なる割合で混合しました。円筒形の試験体を作成して28日間養生した後、一軸圧縮試験で圧壊して、試験体がどれだけの応力に耐え、どのように変形・破壊するかを連続的に測定しました。これにより、岩粉を加えない標準的な充填材と比較して、強度・剛性・破壊挙動を評価しました。

圧壊時の材料挙動

すべての試料は加圧されると四つの明瞭な段階を示しました：まず微小な気孔や亀裂が閉じる段階、次にほぼ線形の弾性的な伸びの段階、ついで亀裂が拡大して降伏する段階、最後に最大強度を超えて破断し荷重保持能力を大きく失う段階です。岩粉はこれら各段階に影響を与えました。適度な量では、微粒子が尾鉱粒子間の空隙を埋め、より緻密で均一な構造と応力の滑らかな伝達を生みます。その結果、新しい充填材はより高い荷重に耐え、破壊までにより大きく変形できました。しかし岩粉が多すぎるとセメントが希釈されて粒子間の結合が弱まり、強度が再び低下しました。

強度、靭性、蓄積エネルギー

最も性能が良かった配合は、玄武岩または花崗岩粉が約9％、大理石粉が約12％のものです。無添加の充填材と比べ、これらの最適配合は圧縮強度を最大で約70％向上させ、同時に最大荷重時のひずみも大きくしました。興味深いことに、岩粉添加により強度は上がる一方で弾性率（剛性）はやや低下する傾向がありました。このトレードオフは、改良充填材が破壊前に多少たわんでより多くのエネルギーを吸収できることを意味します。応力–ひずみ曲線下面積を調べることで、試料がどれだけエネルギーを弾性的に蓄え、どれだけ損失（損耗）したかを算出しました。岩粉を加えると、全エネルギー密度および蓄積・散逸されるエネルギー量はいずれも急増し、場合によっては2倍から4倍以上になり、CTRPBが荷重下でより大きなエネルギーを受け入れ放出できることを示しています。

損傷の追跡と破壊予測

新しい充填材がいつどのように破壊するかをよりよく理解するため、研究チームは微小亀裂がひずみの増加に伴ってどのように成長するかを追う数学的な「損傷」モデルを構築しました。材料を強さが統計的にばらつく無数の小要素で構成されるとみなし、この枠組みを用いて計測された応力–ひずみ曲線に分節的な方程式を当てはめました。モデルは四つの損傷段階を捉えます：無損傷段階、緩やかな初期損傷段階、急速に増大する損傷段階、そして標本が完全破壊に達するにつれて損傷が頭打ちになる最終段階です。最大強度に達する前の前ピーク領域では、モデルの予測は実験とよく一致するため、設計者は期待される地下荷重下で充填域がどの程度破壊に近いかを推定するためにこのモデルを利用できます。

より環境に優しく安全な鉱山への意味

要するに、本研究は、適切に選んだ一般的な岩粉の一定割合が、鉱山や採石場の廃棄物を強度が高くエネルギー吸収性に優れた充填材に変え、地下空間をより効果的に支持できることを示しています。非常に高い岩粉含有量は破壊後に脆くする可能性がありますが、破壊前の強度やエネルギー蓄積が高まることで、適切に設計されたCTRPBは高価な添加剤の必要性を減らし、複数の廃棄物流を同時に消費する助けになります。廃棄量削減、コスト低減、地盤安定の維持を目指す鉱山運営にとって、このアプローチは廃石を地下で有効利用する実用的で科学的根拠のあるレシピを提供します。

引用: 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

キーワード: 鉱山充填, 岩粉, 尾鉱管理, 地下採掘, 廃棄物利用