Mechanische eigenschappen en energie-evolutie van gecementeerde slib‑steenpoeder backfill onder uniaxiale compressie: effect van steensoort en -gehalte

Mijnafval omzetten in veiliger ondergrondse steun

Moderne mijnbouw laat bergen fijn vermalen gesteente achter, zogenaamde slibplaatsen, en hopen overtollig steengruis van steengroeven. Beide vergen kostbare opslag en kunnen de nabijgelegen bodem en wateren bedreigen. Deze studie onderzoekt een manier om dit afval om te zetten in een sterker, veiliger bouwmateriaal dat terug ondergronds kan worden gepompt om uitgeholde ruimtes te ondersteunen, waarmee tegelijk kosten en milieuriskio’s worden verminderd.

Waarom overtollig gesteente een groeiend probleem is

In grote mijnbouwregio’s, inclusief China, zijn miljarden tonnen slib opgeslagen en jaarlijks komen er honderden miljoenen tonnen bij. Deze uitgestrekte hopen nemen land in, kunnen verontreiniging laten weglekken en kunnen in zeldzame gevallen catastrophaal falen. Een veelbelovende oplossing is het mengen van slib met cement en water tot een dikke slurry die terug in uitgeputte mijnschachten en -kamers wordt gepompt, waar het uithardt tot een kunstmatig gesteente. Deze zogenoemde backfill ondersteunt de grond, beperkt oppervlaktesinkingen en vergrendelt afval veilig ondergronds. Maar conventionele backfill heeft vaak dure chemische hulpstoffen of synthetische vezels nodig om de vereiste sterkte en duurzaamheid te halen, wat zowel kosten als milieu zorgen vergroot.

Steenpoeder toevoegen om betere backfill te maken

De onderzoekers testten een eenvoudig idee: lokaal afvalsteen van steengroeven tot fijn poeder vermalen en dit mengen met slib, cement en water om een nieuw materiaal te verkrijgen dat zij gecementeerde slib–steenpoeder backfill (CTRPB) noemen. Ze concentreerden zich op drie veelvoorkomende gesteenten — graniet, basalt en marmer — en voegden elk poeder in verschillende verhoudingen toe, van 3% tot 15% van het vaste materiaal. Cilindrische proefmonsters werden gestort, 28 dagen verzorgd en vervolgens onderworpen aan een uniaxiale compressietest, waarbij het monster gecontroleerd wordt samengedrukt terwijl wordt gemeten hoeveel spanning het kan verdragen en hoe het vervormt en breekt. Dit stelde het team in staat sterkte, stijfheid en breekgedrag te vergelijken met een standaard backfill zonder steenpoeder.

Hoe het materiaal zich gedraagt onder vergruizing

Alle monsters vertoonden vier duidelijke fasen tijdens compressie: eerst sloten kleine poriën en scheurtjes; vervolgens rekte het materiaal op een bijna lineaire, elastische manier; daarna verspreidden scheuren zich en gaf het materiaal toe; en uiteindelijk, na de pieksterkte, brak het en verloor het veel van zijn draagvermogen. Steenpoeder beïnvloedde elk van deze fasen. Bij bescheiden hoeveelheden vulden de fijne deeltjes de ruimten tussen slibdeeltjes op, waardoor een dichtere, gelijkmatigere structuur ontstond en krachten soepeler werden overgedragen. Daardoor kon de nieuwe backfill hogere belastingen dragen en meer vervormen voordat het faalde. Echter, bij te veel steenpoeder werd het cement verdund, verzwakten de verbindingen tussen de deeltjes en daalde de sterkte weer.

Sterkte, taaiheid en opgeslagen energie

De best presterende mengsels waren die met circa 9% basalt- of granietpoeder en circa 12% marmerpoeder. Vergeleken met de plain backfill verhoogden deze optimale mengsels de druksterkte met ongeveer 70% en maakten ze ook grotere vervormingen bij de pieklast mogelijk. Interessant genoeg daagde de stijfheid (elastische modulus) bij toevoeging van steenpoeder lichtelijk, zelfs terwijl de sterkte toenam. Die afweging betekent dat de aangepaste backfill iets meer kan meegeven en meer energie kan absorberen voordat het faalt. Door het gebied onder de spannings‑rekcurves te onderzoeken, berekenden de auteurs hoeveel energie de monsters elastisch opsloegen en hoeveel ze dissiperen als beschadiging. Met steenpoeder namen de totale energiedichtheid en de hoeveelheden opgeslagen en gedissipeerde energie sterk toe — in sommige gevallen twee- tot viermaal hoger — wat aantoont dat CTRPB veel grotere hoeveelheden energie kan opnemen en vrijgeven onder belasting.

Schade volgen en falen voorspellen

Om beter te begrijpen wanneer en hoe de nieuwe backfill faalt, bouwde het team een wiskundig „schade”-model dat bijhoudt hoe interne microkraken groeien naarmate de rek toeneemt. Ze behandelden het materiaal alsof het uit vele kleine elementen bestaat met statistisch variërende sterktes en gebruikten dit kader om een stukgewijze vergelijking af te stemmen op de gemeten spannings‑rekcurves. Het model vangt vier schadefases: een onbeschadigde fase, een langzaam beginnende schadefase, een snel toenemende schadefase en een laatste fase waarbij de schade stabiliseert naarmate het monster volledig faalt. In het voor‑piekgebied — voordat het materiaal zijn maximale sterkte bereikt — komen de modelvoorspellingen goed overeen met de experimenten, zodat ingenieurs het kunnen gebruiken om te schatten hoe dicht een teruggevulde zone bij falen ligt onder verwachte ondergrondse belastingen.

Wat dit betekent voor groenere, veiligere mijnen

In eenvoudige termen laat deze studie zien dat zorgvuldig gekozen hoeveelheden gangbaar steenpoeder mijn- en steengroeveafval kunnen omzetten in een sterkere, energie-absorberende backfill die ondergrondse openingen effectiever ondersteunt. Hoewel zeer hoge gehaltes aan steenpoeder het materiaal brozer kunnen maken na breuk, betekenen de verhoogde sterkte en energiebuffering vóór falen dat CTRPB, mits goed ontworpen, de behoefte aan dure toevoegmiddelen kan verminderen en tegelijkertijd meerdere afvalstromen kan benutten. Voor mijnbouwactiviteiten die streefn naar minder stortvolume, lagere kosten en behoud van grondstabiliteit biedt deze aanpak een praktische, wetenschappelijk onderbouwde werkwijze om afvalsteen ondergronds nuttig in te zetten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: mijnterugvulling, steenpoeder, slibbeheer, ondergrondse mijnbouw, afvalbenutting