Исследование эффектa размера разрушения цементного пастообразного заполнителя при высоких соотношениях песок-цемент

Почему размер подземной опоры имеет значение

В современных шахтах часто закачивают в пустоты искусственный камень — цементный пастообразный заполнитель — чтобы предотвратить обрушение пород. Этот материал изготавливают из отходов дробления породы (шламов), воды и небольшого количества цемента. Для обеспечения безопасности инженерам нужно точно знать, насколько прочен этот заполнитель — однако прочность зависит не только от состава, но и от размеров и формы образцов, испытываемых в лаборатории. В этом исследовании задаётся простой, но важный вопрос: насколько меняются показатели прочности при изменении пропорций песка и цемента и формы испытательного образца — и насколько эти измерения отклоняются от истинной прочности материала, находящегося глубоко под землёй?

Как шахты используют промышленные отходы для безопасности

При методе заполнения выработок отходы переработки руды смешивают с водой и цементом и затем нагнетают в пустоты под землёй. После затвердевания этот материал поддерживает кровлю и стенки, что позволяет извлекать больше руды без опасных обрушений. Прочность затвердевшей пасты — её способность сопротивляться сжатию и дроблению — напрямую влияет на возможные габариты подземных камер. Поскольку многие шахты используют составы с большим содержанием песка и малым количеством цемента (высокое соотношение песок–цемент) из экономических соображений, получающийся материал может быть относительно слабым. Точное измерение таких низких прочностей на стандартных машинах затруднено, поэтому исследователи часто меняют размер или форму лабораторных образцов. Такое удобство, однако, может незаметно исказить результаты.

Испытание разных форм и смесей

Авторы приготовили множество образцов цементного пастообразного заполнителя, используя три соотношения песка и цемента (от 8:1 до 24:1) и три значения плотности твёрдой фазы (71–73 процента), имитируя реальные горные условия. Они сосредоточились на трёх простых формах с разными отношениями высоты к ширине: короткий приземистый блок, куб и высокий стройный столб. Через 28 дней выдержки каждый образец сжимали в прессе до разрушения. Команда затем применила статистические методы, чтобы оценить, насколько каждый фактор — состав смеси, плотность твёрдой фазы и форма образца — влиял на измеренную прочность. Также были построены компьютерные модели с помощью метода конечных элементов, чтобы заглянуть внутрь образцов и визуализировать накопление напряжений перед разрушением.

Что форма говорит о скрытых напряжениях

Испытания выявили чёткие закономерности. При уменьшении количества цемента (увеличении соотношения песок‑цемент) прочность резко снижалась — в пределах испытанного диапазона снижение доходило до трёх четвертей — поскольку уменьшалось количество связывающего материала, склеивающего зерна. Увеличение доли твёрдой фазы несколько повышало прочность за счёт уменьшения внутренних пор, но этот эффект был умеренным. Форма образца, однако, играла неожиданно важную роль: при одинаковом составе и плотности самые прочными выглядели короткие приземистые блоки, кубы — чуть слабее, а высокие столбы — наименее прочными. Внимательное наблюдение за картинами трещинообразования показало, что короткие образцы склонны к вертикальному расслоению, тогда как высокие разрушались по X‑образным диагональным линиям, что указывает на различие внутренних состояний напряжений.

Почему короткие блоки кажутся прочнее, чем они есть на самом деле

Чтобы понять эти различия, авторы исследовали, как плиты нагружения сверху и снизу ограничивают материал. В коротких блоках трение о эти плиты мешало бока у торцов выпирать наружу. Это создавало сильно сжатые конусообразные зоны на обоих торцах, которые перекрывались в середине, переводя большую часть объёма в трёхмерное сжимаемое состояние, что визуально увеличивает кажущуюся прочность. В высоких столбах лишь тонкие зоны у плит были сильно зафиксированы; длинная средняя часть испытывала в основном однонаправленное сжатие, ближе по характеру к тем напряжениям, которые испытывает заполнитель в шахте. Компьютерные расчёты подтвердили эту картину, показав интенсивные концентрации напряжений у торцов коротких блоков и более равномерное распределение напряжений в середине высоких образцов.

Перевод лабораторных результатов в реальную прочность

Поскольку самые высокие образцы меньше искажены эффектами у торцов, их измеренная прочность наиболее точно отражает истинную прочность заполнителя в шахте. Используя полный набор данных испытаний, исследователи вывели математические зависимости, переводящие измеренную прочность коротких или кубических образцов в эквивалентную прочность для высоких образцов. Эти формулы преобразования, действительные для исследованных диапазонов состава и плотности твёрдой фазы, предоставляют практический инструмент для инженеров: они могут продолжать использовать удобные размеры образцов в лаборатории и затем корректировать результаты, чтобы лучше соответствовать поведению материала в реальных условиях шахты. Таким образом исследование помогает избежать как недопроектирования, угрожающего безопасности, так и перепроектирования, ведущего к напрасному расходу цемента и средств.

Цитирование: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

Ключевые слова: цементный пастообразный заполнитель, поддержка горных выработок, эффект размера, соотношение песок–цемент, прочность на сжатие