Эволюция прочности на ранней стадии и механизм перехода от хрупкого к пластичному поведения базальтоволоконного цементируемого обратного заполнения из пустой породы

Усиленные подземные опоры из горных отходов

В современных шахтах часто закачивают смеси раздроблённой породы и цемента в пустые выработки, чтобы поддержать кровлю и ограничить просадку грунта на поверхности. Но эти искусственные опоры могут внезапно дать трещину, что представляет угрозу для работников. В этом исследовании изучают, как добавление тонких базальтовых волокон в такое заполнение может сделать его одновременно прочнее и менее хрупким в критические первые недели после укладки.

Почему обратному заполнению нужна модернизация

Заполнение, изученное здесь, называется цементируемым обратным заполнением из пустой породы: оно в основном состоит из отходов породы, золо-шлаковых продуктов и небольшого количества цемента, смешанного с водой. После затвердевания оно помогает нести вес перекрывающих пород. Однако обычные смеси склонны вести себя как хрупкая порода: они сопротивляются сжатию до определённого предела, после чего при образовании основной трещины быстро теряют прочность. Исследователи стремились, чтобы заполнение вело себя скорее как прочный, слегка гибкий материал, способный деформироваться и распределять повреждения, а не разрушаться разом.

Маленькие волокна — большая задача

Команда вводила короткие нарезанные базальтовые волокна в заполнение в разных массовых долях — от нуля до 0,60 процента от массы твёрдой фазы — и выдерживала образцы от 3 до 60 дней. Затем цилиндры растягивали/сжимали в испытательной машине, фиксируя нагрузку и деформацию до разрушения. Доля волокон 0,30 процента оказалась наиболее заметной: через 28 дней прочность на сжатие была примерно на две трети выше, а предельная деформация — приблизительно на одну треть больше, чем у образцов без волокон. Ещё более важный для реальной добычи эффект: в интервале от 3 до 7 дней прочность этой смеси увеличилась более чем в четыре раза, достигнув уровня, который реалистично может поддерживать начальные работы вблизи заполненной зоны.

От внезапного раскалывания к контролируемым повреждениям

Чтобы проследить ход разрушения, исследователи регистрировали акустические сигналы, возникающие при росте трещин, и наблюдали поверхности камерой и средствами цифровой обработки изображений. В обычном заполнении разрушение доминировали прямые растягивающие расколы, которые быстро проходили через образец и приводили к резкой потере несущей способности. С волокнами трещины отклонялись, разветвлялись и иногда переходили в сдвиговые пути, образуя более сложную сеть мелких трещин. При оптимальном содержании волокон повреждение распространялось по косой, смешанного типа схеме, вместо единственного вертикального разрыва, и спад прочности после пика стал менее крутым. Компьютерные модели из многочисленных связанных частиц подтверждали эту картину, показывая большее количество, но меньших по размеру сегментов разрушения и больше сдвиговых контактных отказов при наличии волокон.

Что происходит внутри на микроскопическом уровне

Изображения, полученные в растровом электронном микроскопе, пояснили, почему волокна так важны. В простом заполнении затвердевший цементный гель и кристаллы оставляли множество пор и слабых мест, где могли зарождаться трещины. В образцах с волокнами базальтовые волокна были окружены плотной оболочкой продуктов гидратации, которые прочно сцепляли их с матрицей. Этот трёхфазный интерфейс — волокно, цементные продукты и частички породы — действовал как маленькие анкера и мостики. Когда трещина подходила к волокну, она, как правило, сгибалась, расщеплялась или замедлялась, а не проходила прямо сквозь. Однако при избытке волокон они слипались в сгустки, создавая новые полости и слабые полосы, которые снова могли направлять быстрое раскалывание и снижать эффект от армирования.

Последствия для более безопасной и экологичной добычи

В условиях, протестированных в исследовании, содержание базальтового волокна около 0,30 процента обеспечивало наилучший баланс ранней прочности, пластичности и устойчивости к внезапному разрушению. Улучшенное заполнение можно изготовить преимущественно из шахтных отходов и при этом обеспечить более стабильную поддержку кровли в первую неделю и позднее. Хотя необходимы дополнительные исследования при более высоких нагрузках, характерных для подземных условий, эти результаты указывают, что аккуратно дозированные волокна могут превратить хрупкое обратное заполнение в более прочную и надёжную опору, которая также способствует переработке породных отходов.

Цитирование: Mao, J., Shi, X., Feng, J. et al. Early-age strength evolution and brittle-to-ductile transition mechanism of basalt-fiber-reinforced cemented gangue backfill. Sci Rep 16, 15141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46049-0

Ключевые слова: базальтовое волокно, цементируемое обратное заполнение из пустой породы, прочность на ранней стадии, поддержка кровли шахты, эволюция трещин