Forskning om storlekseffekten på skador i cementerad pastefyllning vid höga sand‑cementförhållanden

Varför storleken på underjordiskt stöd spelar roll

Moderna gruvor pumpar ofta in ett slags konstgjort berg, kallat cementerad pastefyllning, i tomma tunnelutrymmen för att förhindra ras. Materialet tillverkas av kvarvarande krossat berg (tailings), vatten och en liten mängd cement. För säkerheten måste ingenjörer veta exakt hur stark denna fyllning är — men det visar sig bero på inte bara sammansättningen utan också storleken och formen på de block som provas i labbet. Denna studie ställer en enkel men viktig fråga: när vi ändrar proportionerna sand‑till‑cement och provstyckets form, hur mycket avviker våra hållfasthetsmätningar från materialets verkliga styrka långt ner i gruvan?

Hur gruvor använder avfallsmaterial för att hålla sig säkra

I backfill‑gruvdrift blandas avfallsmaterial från malmbehandling med vatten och cement, och pumpas därefter in i tomma underjordiska utrymmen. När det härdar stöder materialet tak och väggar, vilket tillåter fortsatt brytning utan att orsaka farliga kollapser. Den härdade pastens styrka — dess förmåga att motstå tryck och krossning — påverkar direkt hur stora och höga utrymmena kan göras. Eftersom många gruvor använder blandningar med mycket sand och väldigt lite cement (höga sand–cement‑förhållanden) för att spara kostnader kan det resulterande materialet bli relativt svagt. Att mäta sådana låga hållfastheter exakt på standardtestmaskiner är svårt, så forskare ändrar ofta storlek eller form på laboratorieproven. Denna bekvämlighet kan dock tyst förvränga resultaten.

Test av olika former och blandningar

Författarna tillverkade många block av cementerad pastefyllning med tre sand‑till‑cement‑förhållanden (från 8:1 upp till 24:1) och tre fasta innehåll (71–73 procent), i linje med verkliga gruvförhållanden. De koncentrerade sig på tre enkla former med olika höjd‑till‑bredd‑förhållanden: ett kort, knubbigt block, en kub och en hög, smal pelare. Efter 28 dagars härdning pressades varje prov tills det brast. Forskarna använde sedan statistiska verktyg för att avgöra hur mycket varje faktor — blandningsförhållande, fast innehåll och provform — påverkade den uppmätta hållfastheten. De byggde också datormodeller med ändligaelement‑programvara för att titta in i proverna och visualisera hur spänningarna byggdes upp före brott.

Vad former avslöjar om dolda spänningar

Tester visade tydliga trender. När mängden cement minskade (högre sand‑cement‑förhållande) föll hållfastheten kraftigt — med upp till tre fjärdedelar över det testade intervallet — eftersom det fanns mindre bindemedel för att hålla korn samman. Ökat fast innehåll gjorde pastan något starkare genom att minska interna porer, men denna effekt var måttlig. Provets form spelade däremot en överraskande stor roll: vid samma blandning och fasta innehåll framstod de korta, knubbiga blocken som starkast, kuberna något svagare och de höga pelarna svagast. Noggrann observation av sprickmönster visade att korta prover tenderade att spricka vertikalt, medan höga brast längs X‑formade diagonaler, vilket antyder olika inre spänningstillstånd.

Varför korta block ser starkare ut än de egentligen är

För att förstå dessa skillnader undersökte författarna hur lastplattorna i provens topp och botten begränsade materialet. I de kortare blocken förhindrade friktion mot plattorna att sidorna närmast ändarna buktade utåt. Det skapade kraftigt sammanpressade koniska regioner vid båda ändarna som överlappade i mitten, vilket satte större delen av materialet i ett tredimensionellt ihoppressat tillstånd som får det att verka starkare än det verkligen är. I de höga pelarna var endast tunna zoner nära plattorna starkt begränsade; den långa mittsektionen kände mestadels en envägs kompression, mer lik den spänning som backfillen upplever under jord. Datorsimuleringar bekräftade denna bild, och visade intensiva spänningskoncentrationer nära ändarna på korta block och mer enhetliga spänningar i centrum på höga prov.

Att omvandla labbresultat till verklig styrka

Eftersom de högsta provstyckena är minst förvrängda av dessa ändeffekter, avspeglar deras uppmätta hållfasthet mest sannolikt backfillens verkliga styrka i gruvan. Med hela uppsättningen testdata byggde forskarna matematiska samband som översätter den uppmätta styrkan hos korta eller kubiska prov till ekvivalenta värden för höga prov. Dessa omräkningsformler, giltiga för de testade intervallen av blandning och fast innehåll, ger en praktisk verktygslåda för ingenjörer: de kan fortsätta använda bekväma provstorlekar i labbet och sedan korrigera resultaten för att bättre matcha verkligt beteende i gruvan. På så sätt hjälper studien till att säkerställa att underjordiska stöd varken blir underdimensionerade, vilket skulle hota säkerheten, eller överdimensionerade, vilket skulle slösa cement och pengar.

Citering: 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

Nyckelord: cementerad pastefyllning, bergförstärkning i gruva, störrelseffekt, sand–cement‑förhållande, tryckhållfasthet