Tek eksenel sıkıştırma altında çimento bağlayıcılı atık-cüruf taş tozu dolguların mekanik özellikleri ve enerji evrimi: taş tozu türü ve içeriğinin etkisi

Madencilik Atıklarını Daha Güvenli Yeraltı Desteklerine Dönüştürmek

Modern madencilik, arta kalan ince öğütülmüş kayalar olan cüruflar ve ocak artıklarından oluşan yığınlar bırakır. Bunların her ikisinin de depolanması maliyetli olup çevre ve su kaynakları açısından tehlike oluşturabilir. Bu çalışma, bu atıkları güçlendirilmiş, daha güvenli bir yapı malzemesine dönüştürmenin ve pompalanarak boşaltılmış yeraltı boşluklarını desteklemede kullanmanın bir yolunu araştırıyor; böylece maliyetler ve çevresel riskler aynı anda azaltılabilir.

Neden Artık Kayaç Bir Sorun Olmaya Devam Ediyor

Çin dahil başlıca madencilik bölgelerinde milyarlarca ton cüruf biriktirilmiş durumda ve her yıl yüz milyonlarca ton yeni cüruf ekleniyor. Bu geniş yığınlar arazi kaplar, kirletici sızıntılarına yol açabilir ve nadiren de olsa felaketle sonuçlanan göçmelere sebep olabilir. Ümit vaadeden bir çözüm, cürufları çimento ve su ile karıştırıp yoğun bir şlam oluşturarak bunu boşaltılmış maden tünellerine ve boşluklarına pompalamaktır; burada sertleşerek insan yapımı bir kaya oluşturur. Bu geri dolgu, zemini destekler, yüzey çökmelerini sınırlar ve atığı güvenli biçimde yeraltında kilitler. Ancak geleneksel geri dolgular genellikle gerekli dayanım ve dayanıklılığı sağlamak için pahalı kimyasal katkılar veya sentetik lifler gerektirir; bu da hem maliyetleri hem de çevresel kaygıları artırır.

Daha İyi Bir Geri Dolgu İçin Taş Tozu Eklemek

Araştırmacılar basit bir fikri test ettiler: yerel ocak atık kayalarını ince toz haline getirip bunları cüruf, çimento ve su ile karıştırarak çimento bağlayıcılı atık–taş tozu dolgusu (CTRPB) adını verdikleri yeni bir malzeme yaratmak. Çalışmada granit, bazalt ve mermer olmak üzere üç çok yaygın kaya ele alındı ve her bir toz %3 ila %15 aralığında katı maddeye göre farklı oranlarda dolguda kullanıldı. Silindirik numuneler dökülüp 28 gün kürlendikten sonra, numuneler tek eksenli sıkıştırma testinde ezildi; bu testte numune sabitçe sıkıştırılırken ne kadar gerilmeye dayanabildiği, nasıl şekil değiştirdiği ve nasıl kırıldığı ölçüldü. Böylece ekip, taş tozu içermeyen standart bir dolguyla karşılaştırıldığında dayanım, süneklik ve kırılma davranışını değerlendirebildi.

Malzemenin Ezilme Altındaki Davranışı

Tüm numuneler sıkıştırma sırasında dört belirgin aşama gösterdi: önce küçük gözenekler ve çatlaklar kapanıyor; ardından malzeme neredeyse doğrusal, elastik bir şekilde geriliyor; sonra çatlaklar yayılıyor ve malzeme sünek davranış sergiliyor; son olarak tepe dayanımının ardından kırılma meydana geliyor ve yük taşıma kapasitesi büyük ölçüde düşüyor. Taş tozu bu aşamaların her birini etkiledi. Orta düzeydeki miktarlarda ince partiküller cüruf taneleri arasındaki boşlukları doldurarak daha yoğun, daha homojen bir yapı ve daha düzgün bir gerilme iletimi sağladı. Sonuç olarak, yeni dolgu daha yüksek yükleri taşıyabildi ve kırılmadan önce daha fazla şekil değiştirebildi. Ancak çok fazla taş tozu eklendiğinde çimento seyreliyor, taneler arası bağlar zayıflıyor ve dayanım tekrar düşmeye başlıyor.

Dayanım, Süreklilik ve Depolanan Enerji

En iyi performansı gösteren karışımlar yaklaşık %9 bazalt veya granit tozu ve yaklaşık %12 mermer tozu içerenlerdi. Bu optimal karışımlar düzensiz dolguya göre basınç dayanımını yaklaşık %70’e kadar artırırken, tepe yükte daha büyük deformasyonlara izin verdi. İlginç bir şekilde, taş tozu eklendiğinde malzemenin rijitliği (elastik modül) hafifçe düşme eğilimindeydi; buna rağmen dayanım arttı. Bu takas, modifiye dolgunun biraz daha esnemesine ve kırılmadan önce daha fazla enerji absorbe etmesine olanak tanır. Gerilme–şekil değiştirme eğrilerinin altındaki alanı inceleyerek yazarlar, numunelerin ne kadar enerjiyi elastik olarak depoladığını ve ne kadarının hasar olarak dağıtıldığını hesapladı. Taş tozuyla birlikte toplam enerji yoğunluğu ile depolanan ve dağıtılan miktarlar da keskin biçimde arttı—bazı durumlarda iki ila dört katı aşkın artış görüldü—bu da CTRPB’nin yük altında çok daha büyük miktarlarda enerji alıp salabileceğini gösteriyor.

Hasarı İzlemek ve Kırılmayı Tahmin Etmek

Yeni dolgunun ne zaman ve nasıl kırıldığını daha iyi anlamak için ekip, şekil değiştirme arttıkça iç mikroçatlakların nasıl büyüdüğünü izleyen matematiksel bir “hasar” modeli kurdu. Malzemeyi dayanımları istatistiksel olarak değişen çok sayıda küçük elemandan oluşuyormuş gibi ele aldılar ve ölçülen gerilme–şekil değiştirme eğrilerine uyacak parçalara ayrılmış bir denklem kullandılar. Model dört hasar aşamasını yakalıyor: hasarsız aşama, yavaş başlangıç hasar aşaması, hızla artan hasar aşaması ve numune tamamen kırılmaya yaklaşırken hasarın yataya vardığı son aşama. Tepe öncesi bölgede—malzeme maksimum dayanımına ulaşmadan önce—modelin tahminleri deneylerle iyi uyum gösteriyor; bu nedenle mühendisler modeli, geri doldurulmuş bir bölgenin yeraltı yükleri altında ne kadar kırılmaya yakın olduğunu tahmin etmek için kullanabilir.

Daha Yeşil, Daha Güvenli Madenler İçin Anlamı

Basitçe söylemek gerekirse, bu çalışma dikkatle seçilmiş miktarlarda yaygın taş tozlarının maden ve ocak atıklarını daha güçlü, daha fazla enerji emebilen bir dolguya dönüştürebileceğini gösteriyor; bu da yeraltı açıklıklarını daha etkili biçimde destekliyor. Çok yüksek taş tozu içerikleri kırılma sonrası malzemeyi daha gevrek hale getirebilse de, kırılma öncesi artan dayanım ve enerji depolama, doğru tasarlandığında CTRPB’nin pahalı katkılara olan ihtiyacı azaltabileceği ve aynı anda birden çok atık akışını değerlendirebileceği anlamına geliyor. Atık hacimlerini azaltmak, maliyetleri düşürmek ve zemin stabilitesini sürdürmek isteyen madencilik operasyonları için bu yaklaşım, atık kayaçları yeraltında işe yarar hale getirmek üzere pratik, bilimsel temelli bir reçete sunuyor.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: maden dolgusu, taş tozu, cüruf yönetimi, yeraltı madenciliği, atık değerlendirme