Effekter av masskoncentration och härdningstid på de mekaniska egenskaperna och skadeutvecklingen i aeolisk sandfyllning

Fyller dolda tomrum för säkrare gruvor

Långt under vissa dagbrott för kol finns äldre underjordiska tunnlar och tomma utrymmen, så kallade goafs, kvarlämnade från tidigare brytning. Om dessa dolda tomrum inte får tillräckligt stöd kan marken ovan sjunka eller kollapsa, vilket hotar arbetare, utrustning och närliggande samhällen. Denna studie undersöker hur vindfångad ökensand kan omvandlas till ett starkt, pålitligt fyllnadsmaterial som säkert kan bära upp berget ovanför dessa gamla tomrum samtidigt som lokalt avfall återvinns och behovet av knapphändig flodsand minskas.

Att göra ökensand till ett bärande material

Forskningen fokuserade på aeolisk sand — fin, vindtransport­erad sand som är vanlig i nordvästra Kina — som huvudkomponent i gruvfyllning. De blandade denna sand och lera (loess) med ett bindemedel gjort av cement och flygaska, och tillsatte sedan vatten för att skapa en pumpbar slurry. När den pumpades in i underjordiska tomrum hårdnade blandningen till en solid ”konstgjord bergart” som stöder de överliggande skikten. För att utvärdera materialets prestanda preparerade teamet standardiserade cylindrar med olika ”masskoncentrationer” (andelen fasta ämnen i blandningen) från 74 % till 80 % och härdade dem olika lång tid, från 3 till 28 dagar.

Test av hållfasthet, styvhet och brott

De härdade proverna pressades i en tryckmaskin tills de brast, samtidigt som sensorer lyssnade efter små sprickljud inuti materialet. Tester visade att både den last proverna kunde bära (hållfasthet) och hur styva de var (hur lite de deformerades under last) ökade stadigt när blandningen gjordes tätare. Vid en masskoncentration på 80 % och 28 dagars härdning nådde materialet sin högsta hållfasthet och styvhet. Tiden spelade också roll: styrkan ökade inte linjärt utan steg snabbt under de första två veckorna och därefter långsammare, i takt med att cementet och flygaskan fortsatte reagera med vatten och binda kornen samman.

Att lyssna på sprickor och följa energin

För att bättre förstå hur materialet går sönder använde teamet akustisk emissionsövervakning — i praktiken att ”lyssna” efter mikroskopisk sprickaktivitet — och analyserade hur mekanisk energi lagrades och frigjordes under belastning. Vid lägre koncentrationer började sprickbildning tidigare och spred sig gradvis genom provet, vilket gav många små signaler och ett mildare, mer duktilt brott. Vid högre koncentrationer var den inre strukturen mer enhetlig och tätt bunden, så materialet kunde lagra mer elastisk energi, ungefär som en ihoptryckt fjäder. Strax före brott frigjordes denna lagrade energi plötsligt, vilket gav ett utbrott av intensiva akustiska signaler och ett skarpt, sprött brott. När koncentrationen ökade steg andelen tillförd energi som lagrades elastiskt, medan andelen som förlorades till bestående skador och friktion minskade, vilket visar en förskjutning mot starkare men mer plötsliga brott.

Att se den inre strukturen

Forskarna undersökte också materialets inre struktur i ett kraftfullt mikroskop. I blandningar med lägre fast innehåll kunde bindemedlet inte helt fylla luckorna mellan sand- och jordkorn; resultatet blev en lös, porös struktur med många vägar för sprickor att bildas och växa. När masskoncentrationen ökade bildades fler reaktionsprodukter och fyllde dessa hålrum, vilket band partiklarna samman till ett tätare, mer jämnt nätverk. Vid högsta koncentrationen föreföll fyllningen kompakt och väl bunden, med betydligt färre porer. Denna mikroskopiska bild motsvarade resultaten från mekaniska tester: tätare, bättre bundna strukturer ledde till högre hållfasthet och styvhet, men också till mer plötsliga, spröda brott vid överbelastning.

Vad detta betyder för säkrare, renare gruvdrift

För icke-specialister är budskapet enkelt: genom att noggrant ställa in hur mycket fasta material som finns i blandningen och hur länge den får härda kan ingenjörer omvandla riklig ökensand till ett starkt, förutsägbart stöd för gamla underjordiska gruvgångar. Högre koncentrationer och tillräcklig härdningstid skapar en tätare, mer enhetlig ”konstgjord bergart” som bär större laster och ger mer tillförlitligt stöd, även om den tenderar att brista mer plötsligt om den pressas för långt. Dessa insikter ger gruvkonstruktörer praktisk vägledning vid val av blandningsrecept och härdningstider som balanserar säkerhet, materialanvändning och miljöpåverkan i dagbrotts kolbrytning.

Citering: 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

Nyckelord: gruvfyllning, aeolisk sand, stabilitet i underjordiska tomrum, styrka hos cementerad fyllning, dagbrotts kolbrytning