Feldanwendung und Ausbreitungsgesetz von Verpressungsbrei im Sohlaquifer eines Kohlebergwerks

Warum das Stoppen von Grubenfluten wichtig ist

Tiefe unterirdische Kohlebergwerke durchschneiden nicht nur Gestein — sie schneiden auch versteckte, unter Druck stehende Wasserleiter an. Wenn dieses Wasser plötzlich in Strecken bricht, kann es Ausrüstung überfluten, Menschenleben gefährden und die Energieversorgung lahmlegen. Diese Studie untersucht, wie Risse unter einer Kohleschicht besser verschlossen werden können, indem sorgfältig ausgelegte Zementmischungen eingesetzt werden, damit das unter Druck stehende Grundwasser an seinem Ort bleibt und Bergleute sicher arbeiten können.

Verstopfen versteckter Risse mit flüssigem Gestein

Um Wasserzutritte aus Sohlaquiferen zu kontrollieren, injizieren Ingenieure häufig eine pumpfähige „Schlämme“ aus Zement oder aus einer Zement‑Ton‑Mischung in das Gestein. Diese Flüssigkeit dringt in feine Risse und Poren ein und härtet dann zu einer festen Barriere aus. Die Autoren konzentrierten sich auf zwei praxisrelevante Fragen: wie man das beste Rezept für die Schlämme wählt und wie sich diese Schlämme unter starkem Wasserdruck in klüftigem Gestein ausbreitet. Sie prüften reine Zementmischungen und Zement‑Ton‑Mischungen im Labor und nutzten dann Computersimulationen sowie einen realen Bergwerksfall, um das Verhalten dieser Mischungen unter Tage zu untersuchen.

Das richtige Rezept finden

Im Labor mischte das Team Dutzende kleiner Chargen, die sich in Dichte sowie im Anteil von Wasser, Zement und Ton unterschieden. Sie bestimmten fünf Schlüsseleigenschaften, die im Feld relevant sind: Fließfähigkeit der Schlämme, Auspresswasseranteil, verbleibender Feststoffanteil nach Erhärtung, Abbindezeit und Festigkeit der gehärteten Blöcke. Dichtere Mischungen flossen im Allgemeinen langsamer, bildeten aber festeren und stärkeren „Stein“, während leichtere Mischungen mehr Wasser ausschwitzten und länger zum Aushärten brauchten. Um diese Zielkonflikte auszugleichen, wählten die Forscher eine reine Zementmischung und eine Zement‑Ton‑Mischung als optimal aus: Beide hielten den Wasserverlust gering, füllten Risse gut aus und erreichten ausreichend Festigkeit, ohne so schnell zu erstarren, dass den Arbeitern die Zeit zum Injizieren ausgeht.

Wie sich Schlämme in geklüftetem Gestein ausbreiten

Anschließend bauten die Forscher ein detailliertes Computermodell eines Gesteinskörpers mit einer zerschlagenen Zone, die viele kleine Klüfte enthält, und einem größeren Hauptspalt, der Wasser führen kann. Sie simulierten das Einpumpen der ausgewählten Zement‑Ton‑Schlämme in dieses System und berücksichtigten dabei Fluidströmung und Gesteinsverformung. Die Simulationen zeigten, dass höherer Pumpdruck die Schlämme weiter und schneller treibt, wobei der Druck mit der Entfernung jedoch stetig abfällt, bis er annähernd dem natürlichen Wasserdruck entspricht. Breitere Klüfte und poröseres Gestein lassen die Schlämme schneller vorankommen und ein größeres Gebiet füllen; in manchen Fällen „schießt“ die Schlämme, sobald sich genug Material angesammelt hat, plötzlich in den Hauptspalt und erweitert rasch die abgedichtete Zone, bevor der Fluss allmählich langsamer wird und sich stabilisiert.

Anwendung der Methode unter Tage

Die Forscher wandten ihre optimierte Schlämme dann in einem chinesischen Kohlebergwerk an, dessen Sohlenbereich über einer wasserführenden Kalksteinschicht in etwa 140 Metern Tiefe liegt. Sie bohrten drei Gruppen von Injektionslöchern und pumpten mehr als 100.000 Tonnen der Zement‑Ton‑Mischung unter kontrollierten Drücken ein. Durch die Erfassung, wie viel Schlämme jedes Loch aufnahm, und durch Folge‑Drucktests, die zeigten, wie das Gestein Wasser annahm, bestätigten sie, dass die Risse und Kanäle in den gefährlichsten Bereichen effektiv gefüllt worden waren. Spätere Löcher benötigten weniger Schlämme, was darauf hindeutet, dass frühere Injektionen bereits einen Großteil des Kluftnetzes verstärkt und abgedichtet hatten.

Was das für sichereren Bergbau bedeutet

Für Nicht‑Fachleute lautet die zentrale Botschaft: Grubenfluten durch unter Druck stehendes Grundwasser sind kein reines Unglück — sie hängen stark davon ab, wie Wasser durch unsichtbare Risse unter den Abbaustätten wandern kann. Die Studie zeigt, dass durch das Abstimmen der „flüssigen Gesteins“‑Mischung und das Verständnis ihres Fließens unter Druck Ingenieure Verpressungspläne entwerfen können, die diese Risse zuverlässiger und mit geringerem Risiko verschließen. Die Kombination aus Labortests, physikbasierten Simulationen und Großversuchen im Bergwerk weist den Weg zu vorhersehbareren, wissenschaftlich fundierten Methoden, um den Tiefbergbau trocken und sicher zu halten.

Zitation: Zhengzheng, C., Fangxu, G., Tao, R. et al. Field application and diffusion law of grouting slurry in floor aquifer of a coal mine. Sci Rep 16, 8329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z

Schlüsselwörter: Wasserbeherrschung im Bergbau, Verpressungsbrei, Sohlaquifer, Versiegelung klüftiger Gesteine, numerische Simulation