Właściwości mechaniczne i ewolucja energii cementowanego podsypu z pyłu skalnego i odpadów poflotacyjnych pod ściskaniem jednoosiowym: wpływ rodzaju i zawartości pyłu skalnego

Przekształcanie odpadów górniczych w bezpieczniejsze wsparcie podziemne

Nowoczesne górnictwo pozostawia po sobie góry drobno zmielonej skały zwanej odpadami poflotacyjnymi oraz hałdy kamienia z kamieniołomów. Oba strumienie są drogie w przechowywaniu i mogą zagrażać pobliskim terenom i wodom. Niniejsze badanie bada sposób przekształcenia tych odpadów w bardziej wytrzymały i bezpieczny materiał konstrukcyjny, który można tłoczyć z powrotem pod ziemię, aby podparć wyrobiska, jednocześnie obniżając koszty i ryzyko środowiskowe.

Dlaczego odpadowy materiał skalny to narastający problem

W głównych regionach wydobywczych, w tym w Chinach, zgromadzono miliardy ton odpadów poflotacyjnych, a co roku dochodzą setki milionów nowych ton. Ogromne zwałowiska zajmują teren, mogą przenikać z nich zanieczyszczenia, a w rzadkich przypadkach mogą ulegać katastrofalnym awariom. Obiecującym rozwiązaniem jest zmieszanie odpadów poflotacyjnych z cementem i wodą w celu otrzymania gęstej zawiesiny, którą tłoczy się z powrotem do pustych tuneli i komór kopalnianych, gdzie twardnieje do postaci sztucznej skały. Taka zasypka pomaga podtrzymywać nadkład, ogranicza osiadanie powierzchni i unieruchamia odpady pod ziemią. Jednak konwencjonalna zasypka często wymaga drogich dodatków chemicznych lub włókien syntetycznych, aby uzyskać wymaganą wytrzymałość i trwałość, co podnosi koszty i rodzi obawy środowiskowe.

Dodatek pyłu skalnego dla lepszej zasypki

Naukowcy przetestowali prosty pomysł: zmielić lokalne odpady skalne z kamieniołomu na drobny pył i wymieszać go z odpadami poflotacyjnymi, cementem i wodą, tworząc nowy materiał nazwany cementowaną zasypką z odpadów poflotacyjnych i pyłu skalnego (CTRPB). Skupili się na trzech powszechnych skałach — granicie, bazalcie i marmurze — i dodawali każdy z pyłów do zasypki w różnych ilościach, od 3% do 15% masy substancji stałych. Odlewano cylindryczne próbki, dojrzewały przez 28 dni, a następnie poddawano je jednoosiowemu ściskaniu, które stopniowo zgniata próbkę, mierząc jednocześnie naprężenia, odkształcenia i sposób pękania. Dzięki temu zespół mógł porównać wytrzymałość, sztywność i zachowanie przy zniszczeniu w stosunku do standardowej zasypki bez dodatku pyłu skalnego.

Jak materiał zachowuje się pod ściskaniem

Wszystkie próbki wykazały cztery wyraźne etapy w trakcie ściskania: najpierw zamknięcie drobnych porów i pęknięć; następnie materiał odkształcał się w niemal liniowy, sprężysty sposób; potem rozprzestrzeniały się pęknięcia i materiał ustępował; wreszcie po osiągnięciu maksymalnej wytrzymałości nastąpiło pęknięcie i utrata zdolności przenoszenia obciążenia. Pył skalny wpływał na każdy z tych etapów. Przy umiarkowanych ilościach drobne cząstki wypełniały przestrzenie między ziarnami odpadów poflotacyjnych, tworząc gęstszą, bardziej jednorodną strukturę i płynniejszy transfer naprężeń. W efekcie nowa zasypka mogła przenosić większe obciążenia i odkształcać się bardziej przed zniszczeniem. Jednak przy zbyt dużej zawartości pyłu skalnego następuje rozcieńczenie cementu, osłabienie wiązań między ziarnami i wytrzymałość zaczyna ponownie spadać.

Wytrzymałość, odporność i magazynowana energia

Najlepsze mieszanki to te zawierające około 9% pyłu bazaltowego lub granitowego oraz około 12% pyłu marmurowego. W porównaniu z czystą zasypką, optymalne mieszanki zwiększały wytrzymałość na ściskanie nawet o około 70%, jednocześnie pozwalając na większe odkształcenia przy obciążeniu szczytowym. Co ciekawe, moduł sprężystości materiału miał tendencję do nieznacznego spadku po dodaniu pyłu skalnego, mimo wzrostu wytrzymałości. Ten kompromis oznacza, że zmodyfikowana zasypka może odkształcać się nieco bardziej i absorbowac więcej energii przed zniszczeniem. Analizując pole pod krzywymi naprężenie–odkształcenie, autorzy obliczyli, ile energii próbki magazynowały sprężyście i ile było rozpraszane jako uszkodzenie. Z dodatkiem pyłu skalnego gęstość energii całkowitej oraz ilości energii magazynowanej i rozpraszanej gwałtownie wzrosły — w niektórych przypadkach ponad dwukrotnie do czterokrotnie — co pokazuje, że CTRPB może przyjmować i uwalniać znacznie większe ilości energii podczas obciążenia.

Śledzenie uszkodzeń i przewidywanie zniszczenia

Aby lepiej zrozumieć, kiedy i jak nowa zasypka ulega zniszczeniu, zespół opracował matematyczny model „uszkodzeń”, który śledzi wzrost wewnętrznych mikropęknięć wraz ze wzrostem odkształcenia. Traktowali materiał jak złożony z wielu drobnych elementów o statystycznie zmiennej wytrzymałości i wykorzystali to podejście do dopasowania równania segmentowego do zmierzonych krzywych naprężenie–odkształcenie. Model odwzorowuje cztery etapy uszkodzeń: etap bez uszkodzeń, powolny początkowy etap uszkadzania, etap szybkiego wzrostu uszkodzeń oraz końcowy etap, gdzie tempo uszkodzeń stabilizuje się w miarę osiągania pełnego zniszczenia próbki. W obszarze przedosiągnięcia szczytowego — zanim materiał osiągnie maksymalną wytrzymałość — przewidywania modelu dobrze zgadzają się z eksperymentami, więc inżynierowie mogliby go użyć do oszacowania, jak bliska awarii jest zasypana strefa pod spodziewanymi obciążeniami podziemnymi.

Co to oznacza dla bardziej zielonego i bezpiecznego górnictwa

Mówiąc prosto, badanie pokazuje, że starannie dobrane ilości powszechnych pyłów skalnych mogą przekształcić odpady kopalniane i kamieniołomowe w mocniejszą, bardziej energetycznie absorbującą zasypkę, która skuteczniej podtrzymuje wyrobiska podziemne. Chociaż bardzo wysokie zawartości pyłu skalnego mogą powodować, że materiał po zniszczeniu będzie bardziej kruchy, zwiększona wytrzymałość i magazynowanie energii przed zniszczeniem oznaczają, że przy odpowiednim zaprojektowaniu CTRPB może zmniejszyć potrzebę stosowania drogich dodatków i pomóc w jednoczesnym zagospodarowaniu kilku strumieni odpadów. Dla przedsiębiorstw wydobywczych dążących do redukcji objętości odpadów, obniżenia kosztów i zachowania stabilności podłoża, podejście to stanowi praktyczny, naukowo uzasadniony przepis na wykorzystanie odpadów skalnych pod ziemią.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: zasypka kopalniana, pył skalny, zagospodarowanie odpadów poflotacyjnych, górnictwo podziemne, wykorzystanie odpadów