DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559151
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Jiyong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة المخلفات وخصائصها
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة قيود التعبئة الخلفية للردم الأسمنتية (CTB) من خلال تقديم نهج جديد يستخدم نفايات المحاجر لإنتاج مسحوق الصخور، والذي يتم مزجه بعد ذلك مع الردم لإنشاء تعبئة خلفية من الردم الأسمنتية ومسحوق الصخور (CTRPB). تركز الأبحاث على الخصائص الميكانيكية وخصائص استهلاك الطاقة لـ CTRPB من خلال اختبارات الضغط أحادي المحور، مما يكشف أن إضافة مسحوق الصخور تعزز بشكل كبير مقاومة التشوه للمادة. تحدد الدراسة محتوى مسحوق الصخور الأمثل، حيث يظهر مسحوق الصخور البازلتية أكبر تحسين بمحتوى 9%، يليه مسحوق الرخام والجرانيت بمحتويات أعلى.
تتميز سلوك الفشل لـ CTRPB بأربع مراحل متميزة: ضغط المسام، تشوه مرن خطي، تشوه بلاستيكي، وما بعد الكسر. يؤدي دمج مسحوق الصخور إلى زيادة إطلاق الطاقة أثناء الكسر، مما ينتج عنه نمط تفكك يشبه الصخور. تشير تقييمات الطاقة إلى أن CTRPB يظهر قدرات محسنة لتخزين الطاقة واستهلاكها، مع زيادة كثافة الطاقة الكلية، وكثافة الطاقة المرنة، وكثافة الطاقة المستهلكة بنسبة 252.17%، 213.87%، و478.99%، على التوالي. تم تطوير نموذج تالف جزئي لتحليل تطور الضرر، مما يظهر ارتباطًا قويًا مع البيانات التجريبية، وتصنيف تقدم الضرر إلى أربع مراحل. توفر هذه الأبحاث أساسًا نظريًا للاستخدام المستدام لنفايات التعدين وتقدم تكنولوجيا تعبئة مسحوق الصخور والردم.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات الكبيرة التي تطرحها إدارة الردم في صناعة التعدين، لا سيما في الصين، حيث يتم تراكم أكثر من 25 مليار طن من الردم سنويًا. تثير هذه الحالة مخاوف بيئية وسلامة حاسمة، بما في ذلك خطر فشل السدود والتلوث البيئي. تظهر طريقة التعدين بالتعبئة الخلفية كحل واعد، حيث تعالج بفعالية التحكم في ضغط الأرض وهبوط السطح بينما تحول نفايات التعدين إلى مورد. تعتبر الاستقرار طويل الأمد للتعبئة الأسمنتية أمرًا حيويًا لسلامة المناجم، حيث تتأثر خصائصها الميكانيكية بعوامل مختلفة، بما في ذلك نوع المادة والإضافات الكيميائية.
تشدد الورقة على أهمية قوة الضغط أحادي المحور كمؤشر أداء رئيسي للتعبئة، مشيرة إلى أن دمج الإضافات الكيميائية والألياف يمكن أن يعزز القوة والمرونة. ومع ذلك، فإن التكاليف العالية والآثار البيئية لهذه المواد تحد من استخدامها على نطاق واسع. بدلاً من ذلك، يقترح المؤلفون استخدام نفايات المحاجر المحلية لإنتاج مسحوق الصخور، مما يوفر مزايا اقتصادية وبيئية. لا يقلل هذا النهج من تكاليف المواد الخام فحسب، بل يتماشى أيضًا مع ممارسات التعدين المستدامة. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في كيفية تأثير أنواع وجرعات مختلفة من مسحوق الصخور على الخصائص الميكانيكية وخصائص الطاقة لتعبئة الردم الأسمنتية، مما يوفر في النهاية رؤى حول آليات التعبئة الفيزيائية وتنظيم الطاقة. من المتوقع أن تسهم النتائج في الاستخدام الفعال لموارد نفايات المناجم الصلبة.
طرق
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثيرات أنواع وجرعات مختلفة من مسحوق الصخور على قوة تعبئة الردم الأسمنتية. تضمنت المواد الخام ردمًا من منجم التنغستن في مدينة غانغتشو، مقاطعة جيانغشي، ومجموعة متنوعة من مساحيق الصخور (الجرانيت، البازلت، والرخام) التي توجد عادة كنفايات في المحاجر والبناء. تم تحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لهذه المواد باستخدام محلل حجم الجسيمات بالليزر ومطياف الأشعة السينية، مما يوفر رؤى حول توزيعات حجم الجسيمات والتركيبات الكيميائية.
تضمن تصميم التجربة نسبة خلط أساسية من الأسمنت إلى الردم تم تعيينها عند 1:4 مع تركيز كتلة 70%. تم مقارنة مجموعة التحكم بدون مسحوق الصخور مع عدة مجموعات تجريبية حيث تم استبدال مساحيق الصخور 3% إلى 15% من كتلة المجاميع. تم إعداد العينات في قوالب أسطوانية، وتم علاجها لمدة 28 يومًا، وخضعت لاختبارات قوة الضغط أحادي المحور باستخدام آلة اختبار عالمية إلكترونية WDW-20. لضمان الموثوقية، تم إجراء ثلاثة اختبارات متوازية لكل حالة، وتم حساب النتائج لتمثيل الخصائص الميكانيكية لمجموعات العينات. تهدف هذه المنهجية إلى تقديم فهم شامل لكيفية تأثير أنواع ومساحيق الصخور المختلفة على الأداء الميكانيكي لتعبئة الردم الأسمنتية.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة الخصائص الميكانيكية والطاقة لتعبئة الردم الأسمنتية ومسحوق الصخور (CTRPB) التي تتضمن مساحيق صخور مختلفة (الجرانيت، البازلت، والرخام). تشير النتائج إلى أن جميع مساحيق الصخور الثلاثة تعزز قوة الضغط أحادي المحور (UCS) والانفعال الأقصى للتعبئة، مع تحديد مستويات الدمج المثلى عند 9% للجرانيت والبازلت، و12% للرخام. تكشف منحنيات الضغط والانفعال عن نمط تشوه متسق من أربع مراحل عبر العينات، حيث يظهر CTRPB ضغط ذروة أعلى مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى تحسين الكثافة والسلامة الهيكلية بسبب تحسين تدرج الجسيمات وتعزيز مناطق الانتقال بين الواجهات.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على سلوك تطور الطاقة أثناء الضغط أحادي المحور، مصنفة إياه إلى مراحل تراكم الطاقة، والتراكم السريع، والاستقرار، والإفراج. يؤدي دمج مسحوق الصخور إلى زيادة سعة تخزين الطاقة، مع تحسينات كبيرة في كثافات الطاقة الكلية، والمرنة، والمستهلكة مقارنة بمجموعة التحكم. من الجدير بالذكر أن خصائص الطاقة تتوافق مع UCS، مما يشير إلى أن إضافة مسحوق الصخور تحسن قدرة المادة على امتصاص وتفريغ الطاقة تحت ظروف التحميل. يتنبأ نموذج الضرر الذي تم إنشاؤه بشكل فعال بسلوك الضغط والانفعال وتطور الضرر لـ CTRPB، مما يوفر رؤى حول استقراره وإمكاناته للتطبيقات الهندسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559151
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Jiyong Zhang et al.
Primary Topic: Tailings Management and Properties
Overview
This study addresses the limitations of cemented tailings backfill (CTB) by introducing a novel approach that utilizes quarry waste to produce rock powder, which is then mixed with tailings to create cemented tailings-rock powder backfill (CTRPB). The research focuses on the mechanical properties and energy dissipation characteristics of CTRPB through uniaxial compression tests, revealing that the addition of rock powder significantly enhances the deformation resistance of the material. The study identifies an optimal rock powder content, with basalt rock powder showing the most substantial improvement at 9% content, followed by marble and granite powders at higher contents.
The failure behavior of CTRPB is characterized by four distinct stages: pore compaction, linear elastic deformation, plastic deformation, and post-fracture. The incorporation of rock powder leads to increased energy release during fracture, resulting in a rock-like disintegration pattern. Energy assessments indicate that CTRPB exhibits enhanced energy storage and dissipation capabilities, with total energy density, elastic energy density, and dissipated energy density increasing by 252.17%, 213.87%, and 478.99%, respectively. A piecewise damage constitutive model was developed to analyze damage evolution, showing strong correlation with experimental data, and categorizing damage progression into four stages. This research provides a theoretical basis for the resource-oriented utilization of mining waste and the advancement of rock powder-tailings backfill technology.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant challenges posed by tailings management in the mining industry, particularly in China, where over 25 billion tons of tailings are accumulated annually. This situation raises critical environmental and safety concerns, including the risk of dam failures and ecological pollution. The backfill mining method emerges as a promising solution, effectively addressing ground pressure control and surface subsidence while converting mining waste into a resource. The long-term stability of cemented backfill is crucial for mine safety, with its mechanical properties influenced by various factors, including material type and chemical additives.
The paper emphasizes the importance of uniaxial compressive strength as a key performance indicator for backfill, noting that the incorporation of chemical additives and fibers can enhance strength and ductility. However, the high costs and environmental impacts of these materials limit their widespread use. Instead, the authors propose utilizing locally sourced quarry waste to produce rock powder, which offers economic and environmental advantages. This approach not only reduces raw material costs but also aligns with sustainable mining practices. The study aims to systematically investigate how different types and dosages of rock powder affect the mechanical properties and energy characteristics of cemented tailings backfill, ultimately providing insights into the mechanisms of physical filling and energy regulation. The findings are expected to contribute to the effective resource utilization of mine solid waste.
Methods
In this study, the authors investigated the effects of different types and dosages of rock powder on the strength of cemented tailings backfill. The raw materials included tailings from a tungsten mine in Ganzhou City, Jiangxi Province, and various rock powders (granite, basalt, and marble) commonly found as waste in quarries and construction. The physicochemical properties of these materials were analyzed using a laser particle size analyzer and an X-ray spectrometer, providing insights into their particle size distributions and chemical compositions.
The experimental design involved a baseline mix ratio of cement to tailings set at 1:4 with a mass concentration of 70%. A control group without rock powder was compared against multiple experimental groups where rock powders replaced 3% to 15% of the aggregate mass. Specimens were prepared in cylindrical molds, cured for 28 days, and subjected to uniaxial compressive strength tests using a WDW-20 electronic universal testing machine. To ensure reliability, three parallel tests were conducted for each condition, and results were averaged to represent the mechanical properties of the specimen groups. This methodology aims to provide a comprehensive understanding of how varying rock powder types and contents influence the mechanical performance of cemented tailings backfill.
Discussion
In this section, the study discusses the mechanical and energy characteristics of cemented tailings-rock powder backfill (CTRPB) incorporating various rock powders (granite, basalt, and marble). The findings indicate that all three rock powders enhance the uniaxial compressive strength (UCS) and peak strain of the backfill, with optimal incorporation levels identified as 9% for granite and basalt, and 12% for marble. The stress-strain curves reveal a consistent four-stage deformation pattern across specimens, with CTRPB exhibiting higher peak stress compared to the control group, suggesting improved compactness and structural integrity due to optimized particle gradation and enhanced interfacial transition zones.
The study also highlights the energy evolution behavior during uniaxial compression, categorizing it into stages of energy accumulation, rapid accumulation, stabilization, and release. The incorporation of rock powder leads to increased energy storage capacity, with significant enhancements in total, elastic, and dissipated energy densities compared to the control group. Notably, the energy characteristics correlate with UCS, indicating that rock powder addition improves the material’s ability to absorb and dissipate energy under loading conditions. The established damage constitutive model effectively predicts the stress-strain behavior and damage evolution of CTRPB, providing insights into its stability and potential for engineering applications.