Mekaniska egenskaper och energiutveckling hos cementerat tailings–bergpulverfyllnad under ensaxlig tryckning: effekt av bergpulvertyp och innehåll

Att omvandla gruvavfall till säkrare underjordiskt stöd

Modern gruvdrift lämnar efter sig berg av finmalda stenar kallade tailings och högar med överskottssten från stenbrott. Båda är dyra att lagra och kan hota omkringliggande mark och vatten. Denna studie undersöker ett sätt att omvandla dessa avfall till ett starkare, säkrare byggmaterial som kan pumpas tillbaka under jord för att stödja uttagna utrymmen, vilket samtidigt minskar kostnader och miljörisker.

Varför överskottsberg är ett växande problem

I stora gruvregioner, inklusive Kina, har miljarder ton tailings deponerats, med hundratals miljoner nya ton som adderas varje år. Dessa enorma högar tar upp mark, kan läcka föroreningar och kan i sällsynta fall kollapsa katastrofalt. En lovande lösning är att blanda tailings med cement och vatten för att skapa en tjock slurry som pumpas tillbaka in i uttagna gångar och kammare, där den hårdnar till ett konstgjort berg. Denna så kallade backfill hjälper till att bära upp marken, begränsar sättning i ytan och låser in avfallet säkert under jord. Men konventionell backfill kräver ofta dyra kemiska tillsatser eller syntetiska fibrer för att uppnå önskad styrka och hållbarhet, vilket ökar både kostnader och miljöpåverkan.

Tillsätta bergpulver för att skapa bättre backfill

Forskaren testade en enkel idé: mala lokalt stenbrottsavfall till fint pulver och blanda det med tailings, cement och vatten för att skapa ett nytt material som de kallar cementerat tailings–bergpulverfyllnad (CTRPB). De fokuserade på tre mycket vanliga bergarter — granit, basalt och marmor — och tillsatte varje pulver i backfillen i olika nivåer, från 3 % till 15 % av det fasta materialet. Cylindriska provstycken gjöts, härdades i 28 dagar och pressades sedan i ett ensaxligt tryckprov, där provet gradvis krossas samtidigt som man mäter hur mycket belastning det tål och hur det deformeras och bryts. Detta gjorde det möjligt för gruppen att jämföra hållfasthet, styvhet och brottbeteende med en standardbackfill utan bergpulver.

Hur materialet beter sig under krossning

Alla prov visade fyra tydliga stadier när de utsattes för tryck: först stängdes små porer och sprickor; därefter deformeredes materialet nästan linjärt, elastiskt; sedan spred sig sprickor och materialet gav vika; slutligen, efter maksimal last, bröts det och förlorade mycket av sin bärförmåga. Bergpulvret förändrade varje av dessa stadier. I måttliga mängder fyllde de fina partiklarna utrymmena mellan tailingskorn, vilket skapade en tätare, mer homogen struktur och en jämnare överföring av krafter. Som en följd kunde den nya backfillen bära högre laster och deformeras mer innan brott. Men när för mycket bergpulver tillsattes spädde det ut cementen, försvagade bindningarna mellan partiklarna och styrkan började falla igen.

Styrka, seghet och lagrad energi

De bäst presterande blandningarna var de med cirka 9 % basalt- eller granitpulver och cirka 12 % marmorpulver. Jämfört med den rena backfillen ökade dessa optimala blandningar tryckhållfastheten med upp till ungefär 70 %, samtidigt som de tillät större töjningar vid maximal last. Intressant nog tenderade materialets styvhet (elasticitetsmodul) att minska något när bergpulver tillsattes, även när styrkan ökade. Denna kompromiss innebär att den modifierade backfillen kan böjas något mer och absorbera mer energi innan brott. Genom att undersöka arean under spännings–töjningskurvorna beräknade författarna hur mycket energi proverna lagrade elastiskt och hur mycket som dissipaterades som skada. Med bergpulver ökade den totala energitätheten och mängderna som lagrades och dissipaterades kraftigt — i vissa fall med mer än två till fyra gånger — vilket visar att CTRPB kan ta upp och frigöra mycket större mängder energi vid belastning.

Spåra skada och förutsäga brott

För att bättre förstå när och hur den nya backfillen brister byggde teamet en matematisk "skademodell" som spårar hur interna mikrosprickor växer när töjningen ökar. De behandlade materialet som om det bestod av många små element vars styrkor varierar statistiskt och använde detta ramverk för att anpassa en styckvis ekvation till de uppmätta spännings–töjningskurvorna. Modellen fångar fyra skadestadier: ett oskadat stadium, ett långsamt initialt skadestadium, ett snabbt ökande skadestadium och ett slutligt stadium där skadan planar ut när provet når fullständigt brott. I för‑peak‑regionen — innan materialet når sin maximala styrka — stämmer modellens förutsägelser väl med experimenten, så ingenjörer kan använda den för att uppskatta hur nära en uppfylld zon är att kollapsa under förväntade underjordiska laster.

Vad detta betyder för grönare, säkrare gruvor

Kort sagt visar denna studie att noggrant valda mängder vanliga bergpulver kan förvandla gruv‑ och stenbrottsavfall till en starkare, mer energiabsorberande backfill som bättre stöder underjordiska öppningar. Medan mycket höga bergpulverhalter kan göra materialet mer sprött efter brott, innebär den ökade styrkan och energilagringen före brott att CTRPB, när den utformas korrekt, kan minska behovet av kostsamma tillsatser och hjälpa till att konsumera flera avfallsströmmar samtidigt. För gruvdrift som vill minska deponeringsvolymer, sänka kostnader och bibehålla markstabilitet erbjuder detta tillvägagångssätt ett praktiskt, vetenskapligt underbyggt recept för att använda överskottsberg under jord.

Citering: 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

Nyckelord: gruvfyllnad, bergpulver, hantering av tailings, underjordsbrytning, avfallsanvändning