Effecten van massaconcentratie en uithardingsleeftijd op de mechanische eigenschappen en schade-evolutie van aeolisch zandvullingen

Verborgen holtes vullen om mijnen veilig te houden

Diep onder sommige dagbouw kolenmijnen liggen oudere ondergrondse tunnels en lege ruimtes, zogenaamde goafs, die bij vroegere mijnbouw zijn achtergelaten. Als deze verborgen holtes niet goed worden ondersteund, kan de grond erboven inzinken of instorten, wat een risico vormt voor arbeiders, apparatuur en nabijgelegen gemeenschappen. Deze studie onderzoekt hoe windverwaaide woestijnzand kan worden omgevormd tot een sterke, betrouwbare vulling die het gesteente boven deze oude holtes veilig kan dragen, terwijl lokaal afval wordt hergebruikt en de behoefte aan schaarser rivierzand wordt verminderd.

Woestijnzand als draagmateriaal

De onderzoekers richtten zich op aeolisch zand—fijn, door de wind afgezet zand dat veel voorkomt in het noordwesten van China—als hoofdcomponent van mijnvullingen. Ze mengden dit zand en löss (een slitrijke grond) met een bindmiddel op basis van cement en vliegas en voegden vervolgens water toe om een pompbare slurry te maken. Eenmaal in de ondergrondse holtes gepompt, hardt dit mengsel uit tot een vaste “kunstmatige rots” die de bovenliggende lagen ondersteunt. Om de prestaties van dit materiaal te beoordelen, bereidde het team standaardcilinders met verschillende “massaconcentraties” (het aandeel vaste stof in het mengsel) variërend van 74% tot 80% en liet deze uitharden voor verschillende periodes van 3 tot 28 dagen.

Testen van sterkte, stijfheid en falen

De uitgeharde monsters werden in een compressiemachine geplet tot ze braken, terwijl sensoren luisterden naar kleine scheurgeluiden in het materiaal. Deze tests toonden aan dat zowel de belasting die de monsters konden dragen (sterkte) als hun stijfheid (hoe weinig ze onder belasting vervormen) gestaag toenamen naarmate het mengsel dichter werd. Bij een massaconcentratie van 80% en 28 dagen uitharding bereikte het materiaal zijn hoogste sterkte en stijfheid. Tijd speelde ook een rol: de sterkte nam niet lineair toe, maar groeide snel in de eerste twee weken en daarna langzamer, naarmate cement en vliegas verder met water reageerden en de korrels aan elkaar verbonden.

Luisteren naar scheuren en energie volgen

Om beter te begrijpen hoe het materiaal faalt, gebruikte het team acoustic emission-monitoring—figuurlijk: luisteren naar microscopische scheuractiviteit—en analyseerde hoe mechanische energie werd opgeslagen en vrijgegeven tijdens belasten. Bij lagere concentraties begon scheurvorming eerder en verspreidde zich geleidelijk door het monster, wat veel kleine signalen en een zachtere, meer ductiele breuk opleverde. Bij hogere concentraties was de interne structuur homogener en sterker verbonden, waardoor het materiaal meer elastische energie kon opslaan, als een samengedrukte veer. Net vóór het falen werd deze opgeslagen energie plotseling vrijgegeven, wat een uitbarsting van intense akoestische signalen en een scherpe, brosse breuk veroorzaakte. Met toenemende concentratie nam het aandeel van de toegevoerde energie dat elastisch werd opgeslagen toe, terwijl het aandeel dat verloren ging aan permanente schade en wrijving afnam, wat wijst op een verschuiving naar sterker maar abrupt falen.

De interne structuur bekijken

De onderzoekers onderzochten het binnenwerk van het materiaal ook met een krachtige microscoop. In mengsels met een lager vaste stofgehalte kon het bindmiddel de tussenruimten tussen zand- en grondkorrels niet volledig vullen; het resultaat was een losse, poreuze structuur met veel paden waarlangs scheuren zich konden vormen en groeien. Naarmate de massaconcentratie toenam, vormden zich meer reactieproducten die deze holtes opvulden en de deeltjes samenbond tot een dichter, gelijkmatiger netwerk. Bij de hoogste concentratie leek de vulling compact en goed verbonden, met veel minder poriën. Dit microscopische beeld kwam overeen met de mechanische testresultaten: dichtere, beter verbonden structuren leidden tot hogere sterkte en stijfheid, maar ook tot een plotselinger, bros falen wanneer ze werden overbelast.

Wat dit betekent voor veiligere, schonere mijnbouw

Voor niet-specialisten is de boodschap helder: door zorgvuldig te regelen hoeveel vast materiaal in het mengsel zit en hoe lang het mag uitharden, kunnen ingenieurs overvloedig woestijnzand omzetten in een sterk, voorspelbaar draagmiddel voor oude ondergrondse mijnwerken. Hogere concentraties en voldoende uithardingstijd creëren een dichtere, uniformere “kunstmatige rots” die meer gewicht draagt en betrouwbaar ondersteunt, hoewel deze bij overbelasting neigt naar een plotselinger falen. Deze inzichten geven mijnontwerpers praktische richtlijnen voor het kiezen van mengsels en uithardingstijden die veiligheid, materiaalgebruik en milieu-impact in dagbouw kolenmijnen in balans brengen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: mijnvulling, aeolisch zand, stabiliteit van ondergrondse holtes, sterkte van gecementeerde vulling, dagbouw kolenmijnbouw