Механизм диффузии в пористой среде на основе фазовых переходов шлама хвостов

Превращение горных отходов в полезный материал

Современная горная добыча оставляет после себя обширные накопления тонкодисперсных отходов — хвостов, которые могут выделять металлы и угрожать целостности дамб. Инженеры учатся повторно использовать этот илистый материал как строительный компонент, нагнетая его в слабые грунты или пустоты в шахтах — процесс, называемый инъектированием (гроутингом). В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой, но важный для безопасности вопрос: как именно движется этот шламообразный состав в грунте и какое давление требуется, чтобы протолкнуть его, пока он медленно затвердевает?

Почему важны поток и затвердевание

При расчетах инъектирование часто рассматривают так, будто вводимая смесь остаётся тонкой жидкостью на всём пути под землёй. На деле шлам хвостов ведёт себя скорее как мягкая зубная паста, постепенно уплотняющаяся в камневидный материал. Если это постепенное затвердевание игнорировать, инженеры могут существенно переоценить радиус распространения шлама и недооценить давление, необходимое для его проталкивания через грунт или хвостовые отложения. А поскольку реальная почва представляет собой запутанную сеть пор — не прямые трубы — упрощённые теории могут ввести в заблуждение при проектировании, что грозит неправильным усилением или даже повреждением близлежащих сооружений.

Наблюдение за загустеванием шлама в реальном времени

Авторы сперва смешали тонкие хвосты с цементом, известью, золой-уносом и водой по тщательно контролируемым рецептурам, затем использовали высокоточный ротационный реометр, чтобы измерять сопротивление сдвигу и текучесть шлама в течение двух часов. Они варьировали два ключевых параметра, которыми можно управлять на практике: температуру (10°C, 25°C и 50°C) и водо‑цементное соотношение (от относительно сухого 1,0 до более жидкого 3,0). Поведение шлама соответствовало типу материалов с порогом текучести, известному как жидкость Бингама: при напряжениях ниже порога смесь почти не движется, выше — течёт. Существенно, что и пороговое напряжение, и кажущаяся вязкость увеличивались со временем, причём оба параметра описывались простыми квадратичными функциями времени. Более сухие смеси и более высокие температуры вызывали более быстрое и сильное огрубение шлама, причём содержание воды оказывало более значительное влияние.

От лабораторных кривых к потоку в грунте

Далее команда разработала математическую модель того, как этот со временем загущающийся шлам диффундирует в пористой среде. Они представили запутанную сеть пор как пучок узких труб, учли, что в некоторых участках труб формируется твёрдый «плаг» практически несдвигаемого шлама, и допустили зависимость порогового напряжения и вязкости от возраста смеси после смешивания. Связав локальные градиенты давления, среднюю скорость потока и эволюционирующие свойства материала, они вывели уравнение, предсказывающее, как должно нарастать давление инъектирования во времени по мере продвижения фронта шлама в грунт.

Проверка теории в высокой колонне песка

Чтобы проверить соответствие теории и эксперимента, авторы соорудили стальной экспериментальный контейнер высотой 2,4 м, заполненный разными песками и илами на основе хвостов. Они нагнетали шлам при контролируемых расходах, температурах и составах смеси, измеряя давление на двенадцати глубинах. Во всех девяти режимах давление на каждом датчике росло со временем и было выше ближе к вставной трубе. Кривые «давление—время» демонстрировали чёткую двухступенчатую динамику: ранний, почти прямолинейный, плавно возрастающий сегмент, за которым следовал поздний быстро ускоряющийся рост по мере загустевания шлама и усложнения путей тока. При сравнении предсказаний модели с измерениями новая модель Бингама с временной изменчивостью параметров лучше следовала данным, чем старая модель с фиксированным пороговым напряжением, сократив общие погрешности примерно до 10%.

Что это значит для более безопасного и продуманного инъектирования

Для неспециалистов основной вывод таков: шлам из хвостов руд не является просто грязной водой — это «живая» среда, которая загущается по мере движения, и небольшие изменения содержания воды или температуры могут резко изменить его поведение в грунте. Зафиксировав этот фазовый переход в лабораторных измерениях и уточнённой модели течения, исследование даёт инженерам более реалистичный инструмент для прогнозирования радиуса распространения таких шламов и того, как будет нарастать давление инъектирования во времени. Это помогает проектировать более безопасные дамбы хвостохранилищ, надёжное укрепление грунтов и более эффективное повторное использование горных отходов, снижая экологические риски и делая подземное строительство более предсказуемым.

Цитирование: Xing, S., Jia, J., Zheng, C. et al. Porous media grouting diffusion mechanism based on tailings slurry phase change characteristics. Sci Rep 16, 5571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36009-z

Ключевые слова: шлам хвостов, инъектирование, пористая среда, реология, повторное использование рудных отходов