Влияние массовой концентрации и возраста твердения на механические свойства и эволюцию повреждений заполняющего материала из эолового песка

Заполнение скрытых пустот для безопасности шахт

Глубоко под некоторыми карьерами по добыче угля находятся старые подземные штреки и пустоты, называемые гофами, оставшиеся после прежней разработки. Если эти скрытые пустоты не поддержать надлежащим образом, поверхность может просесть или обвалиться, что представляет угрозу для работников, оборудования и близлежащих населённых пунктов. В этом исследовании изучается, как превратить ветродувный пустынный песок в прочный и надёжный заполняющий материал, способный безопасно поддерживать породу над старыми пустотами, при этом утилизируя местные отходы и уменьшая потребность в дефицитном речном песке.

Преобразование пустынного песка в опорный материал

Исследователи сосредоточились на эоловом песке — мелком, ветровым образом перемещаемом песке, распространённом на северо‑западе Китая — как на основном компоненте заполнителя. Они смешивали этот песок и лёсс (суглинистую почву, богатую илом) с вяжущим на основе цемента и золо-шлаковых материалов, затем добавляли воду, чтобы получить перекачиваемую суспензию. После подачи в подземные пустоты смесь затвердевает в «искусственную породу», поддерживающую вышележащие слои. Чтобы оценить свойства материала, команда подготовила стандартные цилиндрические образцы с разной «массовой концентрацией» (доля твёрдых частиц в смеси) от 74% до 80% и выдерживала их при различных сроках твердения от 3 до 28 дней.

Испытания на прочность, жёсткость и разрушение

Затвердевшие образцы сжимали в пресс‑машине до разрушения, а датчики фиксировали тихие трескосигналы внутри материала. Испытания показали, что как несущая способность образцов (прочность), так и их жёсткость (насколько мало они деформируются под нагрузкой) неуклонно увеличивались при возрастании плотности смеси. При массовой концентрации 80% и выдержке 28 дней материал достигал максимальной прочности и жёсткости. Время также имело значение: прочность росла не линейно, а быстро в первые две недели, затем замедлялась по мере того, как цемент и золо-шлаковые компоненты продолжали гидратироваться и связывать зерна между собой.

Прослушивание трещин и учёт энергии

Чтобы лучше понять механизм разрушения, команда использовала мониторинг акустической эмиссии — по сути «слушание» микроскопической трещинообразующей активности — и анализировала, как механическая энергия накапливается и высвобождается при нагружении. При более низких концентрациях трещинообразование начиналось раньше и распространялось постепенно по объёму образца, порождая множество слабых сигналов и более мягкое, пластичное разрушение. При более высоких концентрациях внутренняя структура была более однородной и плотно связанной, поэтому материал мог накапливать больше упругой энергии, как сжатая пружина. Непосредственно перед разрушением эта накопленная энергия резко высвобождалась, вызывая всплеск интенсивных акустических сигналов и внезапное хрупкое разрушение. С увеличением концентрации доля входной энергии, сохраняемой в упругой форме, возросла, тогда как доля, рассеянная на необратимые повреждения и трение, уменьшилась, что указывает на сдвиг к более прочному, но более внезапному типу разрушения.

Взгляд на внутреннюю структуру

Исследователи также изучили внутреннюю структуру материала под мощным микроскопом. В смесях с меньшим содержанием твёрдых частиц вяжущее не могло полностью заполнить промежутки между зернами песка и почвы; в результате образовывалась рыхлая пористая структура с множеством путей для формирования и роста трещин. С повышением массовой концентрации образовывалось больше продуктов реакции, заполнявших эти пустоты и связывавших частицы в более плотную и равномерную сеть. При наивысшей концентрации заполнитель выглядел уплотнённым и хорошо сцепленным, с гораздо меньшим количеством пор. Эта микроскопическая картина согласуется с результатами механических испытаний: более плотные, лучше связанные структуры обеспечивают большую прочность и жёсткость, но при перегрузке склонны к более внезапному, хрупкому разрушению.

Что это значит для более безопасной и экологичной добычи

Для неспециалистов вывод прост: при грамотном подборе доли твёрдой фазы в смеси и выдержки по времени инженеры могут превратить обильный пустынный песок в прочную и предсказуемую опору для старых подземных выработок. Более высокие концентрации и достаточное время твердения создают более плотную и однородную «искусственную породу», способную нести большую нагрузку и обеспечивать более надёжную поддержку, хотя при превышении пределов она склонна к более внезапному разрушению. Эти выводы дают конструкторам шахт практические рекомендации по выбору рецептур смеси и времени выдержки, которые балансируют безопасность, расход материалов и экологическое воздействие в карьерах по добыче угля.

Цитирование: 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

Ключевые слова: заполнение выработок шахты, эоловый песок, устойчивость подземных пустот, прочность цементированного заполнения, открытая добыча угля