Механические свойства и эволюция энергии цементированного обратного заполнителя из хвостов и порошка горной породы при одноосном сжатии: влияние типа и содержания порошка породы

Преобразование горных отходов в более надежную подземную опору

Современная горная добыча оставляет после себя горы мелкоизмельчённой породы — хвосты, и отвалов остаточной карьерной породы. Их дорого хранить и они могут представлять угрозу для прилегающих земель и водных ресурсов. В этом исследовании рассматривается способ превратить эти отходы в более прочный и безопасный строительный материал, который можно закачивать обратно под землю для поддержания выработанных пространств, одновременно снижая затраты и экологические риски.

Почему остаточная порода становится всё более серьёзной проблемой

В крупных горнорудных регионах, включая Китай, накоплены миллиарды тонн хвостов, и ежегодно добавляются сотни миллионов новых тонн. Эти огромные отвалы занимают землю, могут выделять загрязнители и в редких случаях подвергаться катастрофическим авариям. Одно из многообещающих решений — смешивать хвосты с цементом и водой, получая вязкую суспензию, которую закачивают обратно в выработанные штреки и камеры, где она затвердевает в искусственную породу. Такое обратное заполнение удерживает грунт, ограничивает просадки поверхности и надёжно фиксирует отходы под землёй. Но традиционный обратный заполнитель часто требует дорогих химических добавок или синтетических волокон для достижения требуемой прочности и долговечности, что повышает и затраты, и экологическую нагрузку.

Добавление порошка породы для улучшения заполнителя

Исследователи проверили простую идею: перемолоть местные карьерные отходы в тонкий порошок и смешать его с хвостами, цементом и водой, получив новый материал, который они называют цементированным обратным заполнителем из хвостов и порошка породы (CTRPB). Они сосредоточились на трёх распространённых породах — граните, базальте и мраморе — и вводили каждый порошок в заполнитель в разных количествах, от 3% до 15% от массы твёрдых частиц. Отливали цилиндрические образцы, выдерживали их 28 дней и затем испытывали на одноосное сжатие, постепенно раздавливая образец и измеряя выдерживаемое напряжение, деформации и характер разрушения. Это позволило сравнить прочность, жёсткость и поведение при разрушении с эталонным заполнителем без порошка породы.

Поведение материала при раздавливании

Все образцы демонстрировали четыре чётких стадии при сжатии: сначала закрывались мелкие поры и трещины; затем материал деформировался почти линейно, упруго; далее трещины распространялись и наступало yielding (пластическая деформация); наконец, после достижения пиковой прочности происходил фактический разрыв и значительная потеря несущей способности. Порошок породы влиял на каждую из этих стадий. При умеренных количествах мелкие частицы заполняли пространства между зернами хвостов, создавая более плотную, однородную структуру и более плавную передачу нагрузок. В результате новый заполнитель мог нести большие нагрузки и деформироваться сильнее перед разрушением. Однако при избытке порошка породы цементная матрица разрежалась, связи между частицами ослабевали, и прочность снова снижалась.

Прочность, вязкость и запасённая энергия

Наиболее эффективными оказались смеси с примерно 9% базальтового или гранитного порошка и около 12% мраморного порошка. По сравнению с обычным заполнителем эти оптимальные составы увеличивали прочность на сжатие примерно до 70%, при этом допускали большие деформации в момент достижения максимальной нагрузки. Интересно, что жёсткость материала (модуль упругости) при добавлении порошка породы, как правило, слегка снижалась, даже несмотря на рост прочности. Такая компромиссная закономерность означает, что модифицированный заполнитель может быть немного более гибким и поглощать больше энергии перед разрушением. По площади под кривыми «напряжение — деформация» авторы рассчитали, сколько энергии образцы запасали упруго и сколько рассеивали в виде повреждений. С введением порошка породы общая плотность энергии и доли запасённой и рассеянной энергии резко возросли — в некоторых случаях в 2–4 раза — что показывает, что CTRPB способен аккумулировать и рассеивать значительно большие объёмы энергии при нагрузке.

Отслеживание повреждений и прогнозирование разрушения

Чтобы лучше понять, когда и как новый заполнитель разрушается, команда разработала математическую «модель повреждений», которая отслеживает рост внутренних микро-трещин по мере увеличения деформации. Они рассмотрели материал как состоящий из множества мелких элементов с распределённой по статистике прочностью и использовали этот формализм для подбора кусочно-заданного уравнения к экспериментальным кривым «напряжение — деформация». Модель описывает четыре стадии повреждения: неизменённое состояние, медленная начальная стадия повреждения, быстро нарастающая стадия повреждения и финальная стадия, где уровень повреждений выравнивается по мере достижения образцом полного разрушения. В предельной области до пика — до достижения максимальной прочности — прогнозы модели хорошо согласуются с экспериментами, поэтому инженеры могут использовать её для оценки, насколько близка закачанная зона к разрушению при ожидаемых подземных нагрузках.

Что это значит для более экологичных и безопасных шахт

Проще говоря, исследование показывает, что правильно подобранные количества обычных порошков пород могут превратить шахтные и карьерные отходы в более прочный и лучше поглощающий энергию заполнитель, который эффективнее поддерживает подземные полости. Хотя очень высокое содержание порошка породы может сделать материал более хрупким после разрушения, повышенная прочность и запас энергии до разрушения означают, что при грамотном проектировании CTRPB может снизить потребность в дорогих добавках и одновременно утилизировать несколько потоков отходов. Для горных предприятий, стремящихся сократить объёмы захоронения, снизить затраты и сохранить устойчивость грунта, этот подход представляет собой практичный, научно обоснованный рецепт для использования отходов под землёй.

Цитирование: 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

Ключевые слова: подпорка шахт, порошок горной породы, управление хвостами, подземная добыча, утилизация отходов