单轴压缩下胶结尾矿–岩粉回填体的力学性质与能量演化：岩粉类型与含量的影响

将采矿废料转化为更安全的地下支护材料

现代采矿会留下大量细碎岩石称为尾矿，以及采石场的剩余石料堆。这些废弃物占地成本高，并可能对附近的土地和水体构成威胁。本研究探讨了一种方法，将这些废料转化为更坚固、更安全的建筑材料，可泵送回地下用于支撑采空区，从而同时降低成本和环境风险。

剩余岩石日益成为的问题

在包括中国在内的主要采矿区，堆积了数十亿吨尾矿，每年又新增数亿吨。这些巨大的堆场占用土地、可能渗漏污染物，并在极少数情况下发生灾难性失稳。一种有前景的解决途径是将尾矿与水泥和水混合成稠浆，泵回采出的巷道和洞室，待其硬化成一种人工岩石。这种所谓的回填既可支撑上部地层，减少地表沉降，又能将废料安全封存于地下。但常规回填往往需要昂贵的化学添加剂或合成纤维来达到所需的强度和耐久性，从而增加成本并带来环境顾虑。

加入岩粉以改良回填材料

研究者测试了一个简单思路：将当地采石场的废石研磨成细粉，与尾矿、水泥和水混合，制成一种新材料，称为胶结尾矿–岩粉回填体（CTRPB）。他们聚焦于三种常见岩石——花岗岩、玄武岩和大理石，并将各自的岩粉按不同掺量加入回填中，掺量范围为固相质量的3%到15%。将圆柱样件浇筑并养护28天，然后在单轴压缩试验中施压，逐步压毁样件，同时测量其承载应力及变形破坏过程。这样团队得以将含岩粉的回填与不含岩粉的标准回填在强度、刚度和破坏特性上进行比较。

材料在压碎过程中的行为

所有样件在压缩过程中都表现出四个明显阶段：首先，微小孔隙和裂缝闭合；接着，材料在近似线性的弹性阶段伸展；随后，裂纹扩展，材料发生屈服；最后，超过峰值强度后，样件破坏并丧失大部分承载能力。岩粉改变了这些阶段的表现。在适量掺入时，细颗粒填充了尾矿颗粒间的空隙，形成更致密、更均匀的结构，并使应力传递更平滑。因此，新型回填可以承载更高的荷载并在破坏前发生更大的变形。然而，当岩粉掺量过高时，会稀释水泥相，削弱颗粒间粘结，强度反而开始下降。

强度、韧性与储能

性能最优的配比约为含9%玄武岩或花岗岩粉，或约12%大理石粉。与普通回填相比，这些最佳配方的抗压强度提高了约70%，同时峰值荷载时允许的峰应变也更大。有趣的是，尽管强度提升，加入岩粉后材料的刚度（弹性模量）通常略有下降。该权衡意味着改性的回填在破坏前可有更大的弯曲性并吸收更多能量。通过考察应力—应变曲线下的面积，作者计算了样件在弹性阶段储存的能量和作为损伤耗散的能量。加入岩粉后，总能量密度以及储存和耗散的能量都显著增加——在某些情况下提高了两到四倍以上——表明CTRPB在受载时可以吸纳并释放更多的能量。

损伤追踪与破坏预测

为更好地理解新型回填的破坏时机和形式，研究团队建立了一个数学“损伤”模型，跟踪内部微裂纹随应变增长的演化。他们将材料看作由许多强度各异的小单元组成，并用此框架拟合出分段方程以匹配测得的应力—应变曲线。该模型捕捉了四个损伤阶段：未损伤阶段、缓慢初始损伤阶段、损伤快速增长阶段，以及当试件接近完全破坏时损伤趋于平稳的最终阶段。在峰前区——材料达到最大强度之前——模型的预测与实验吻合良好，因此工程师可以用该模型来估算回填区在预计地下荷载下距破坏的接近程度。

对更绿色、更安全矿山的意义

简单来说，本研究表明适量选择常见岩粉能够将采矿和采石废料转化为更高强度、吸能性更好的回填材料，从而更有效地支撑地下空洞。尽管很高的岩粉含量可能在破坏后使材料更脆，但在破坏前增强的强度和能量储存意味着在合理设计下，CTRPB可以减少对昂贵添加剂的需求，并同时消耗多种废弃物。对于希望减少废弃物堆放量、降低成本并维持地层稳定性的采矿作业，这一方法提供了一个基于科学的、可操作的方案，将废石资源化并用于地下回填。

引用: 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

关键词: 矿山回填, 岩粉, 尾矿治理, 地下采矿, 废料利用