Permeabilitätsentwicklung und mikrostrukturelle Regulierung von tonzementgebundenen Verpresskörpern unter gekoppelten Durchströmungs‑ und Spannungsbedingungen

Warum das Stoppen von Wasser in Bergwerken wichtig ist

Tiefe Untertagbergwerke kämpfen oft gegen einen ständigen Gegner: unerwünschtes Wasser, das durch Risse im Gestein eindringt. Wird dieses Wasser nicht kontrolliert, kann es Stollen überfluten, die Produktion stoppen und im schlimmsten Fall Menschenleben gefährden. Eine vielversprechende Lösung besteht darin, eine Mischung aus Ton und Zement in das Gestein zu injizieren, um eine unterirdische Wand zu schaffen, die den Fluss blockiert. Diese Studie stellt eine praktische, aber entscheidende Frage: Wie gut hält diese Ton‑Zement‑Barriere im Zeitverlauf dem Wasserdruck stand, während sie zugleich von Gesteinsdruck zusammengedrückt und vom durchströmenden Grundwasser belastet wird?

Aufbau eines unterirdischen Schutzes

Die Forschenden arbeiteten mit einem „Verpresskörper“ aus rotem Ton, Normalzement und Wasser – Materialien, die weit verbreitet und vergleichsweise umweltverträglich sind. Sie stellten feste Zylinder dieser Mischung mit drei unterschiedlichen Zementanteilen her: 50 %, 70 % und 90 % bezogen auf die Masse. Diese Zylinder stehen stellvertretend für die ausgehärtete Barriere, die sich im Bergwerk nach dem Injizieren bildet. Nach einer fast einmonatigen Aushärtung setzten die Mitarbeitenden die Proben in eine spezielle Vorrichtung, die sie von allen Seiten zusammendrücken, Wasser unter Druck durch sie hindurchleiten und über mehrere Stunden verfolgen kann, wie leicht sich das Wasser bewegt.

Beobachtung des Wasserdurchgangs durch winzige Wege

Im Prüfsystem wirkten zwei Kräfte gleichzeitig auf die Proben. Wasserdruck trieb Flüssigkeit hindurch und ahmte so Grundwasser nach, das in ein Bergwerk einsickern möchte, während ein äußerer „Manteldruck“ das Material so zusammendrückte, wie es von überlagerndem Gestein im realen Umfeld geschehen würde. Die Forschenden maßen die Durchflussraten, die Durchlässigkeit (Permeabilität) und den vorhandenen Hohlraumanteil im Material (Porosität). Zu Beginn jedes Tests füllte das Wasser die größten Poren rasch, die Durchflussraten sprangen hoch und die Permeabilität erreichte ein Maximum. In den folgenden Stunden verdichtete der Manteldruck das Material schrittweise, verkleinerte Poren und verengte Wasserkanäle, bis Durchfluss und Permeabilität auf deutlich niedrigere, stabile Werte absanken.

Wie der Zementgehalt das innere Labyrinth verändert

Um die Vorgänge auf mikroskopischer Ebene zu erfassen, nutzte das Team Kernspinresonanz, Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie, um die innere Struktur vor und nach den Tests zu untersuchen. Sie stellten fest, dass ein höherer Zementanteil das innere Porenlabyrinth deutlich verfeinerte. Ein Anstieg des Zementanteils von 50 % auf 90 % reduzierte sowohl die Permeabilität als auch den Gesamtporenraum und verschob die Porenverteilung von größeren Wegen hin zu überwiegend feinen Poren. Chemische Produkte, die beim Aushärten des Zements entstanden, füllten die Zwischenräume zwischen Tonpartikeln und verwandelten ein relativ offenes Geflecht in ein dichtes Gerüst mit weniger verbundenen Wasserwegen. Proben mit nur 50 % Zement wiesen mehr mittelgroße bis große Poren auf, die sich zu effizienten Wasserkanälen verbanden, während 90 %‑Zementproben mit Mikroporen gefüllt waren, die den Fluss stark verlangsamten.

Ein Tauziehen zwischen Wasser und Druck

Die Studie zeigte, dass die Leistungsfähigkeit der Barriere durch ein Wechselspiel bestimmt wird: Wasser neigt dazu, Wege aufzubreiten, während Druck sie verschließt. Höherer Wasserdruck gibt der strömenden Flüssigkeit mehr Energie, Poren zu erodieren und zu vergrößern, wodurch viele feine Poren zu größeren werden und die Permeabilität steigt. Höherer Manteldruck hingegen presst das Material zusammen, schließt mittelgroße Poren und stärkt die Dominanz enger Wege, die dem Durchfluss widerstehen. Das Zusammenspiel dieser Effekte entscheidet, ob die Barriere im Zeitverlauf durchlässiger oder dichter wird. Da die Zementchemie auch beeinflusst, wie leicht Poren verdichtet oder erodiert werden können, ist die mineralische Zusammensetzung des ausgehärteten Verpressmaterials ein wichtiger Hebel für Ingenieurinnen und Ingenieure.

Praxistaugliche Entscheidungen für sicherere, umweltfreundlichere Bergwerke

Für Nicht‑Spezialisten ist die Quintessenz klar: Durch die Feinabstimmung des Zementanteils im Ton können Ingenieure unterirdische Barrieren entwerfen, die nahezu kein Wasser durchlassen, oder einen begrenzten Durchfluss zulassen, wo eine vollständige Sperre nicht erforderlich ist. Die Autorinnen und Autoren schlagen vor, etwa 90 % Zement dort zu verwenden, wo Bergwerke an bedeutende Grundwasserleiter grenzen und die stärkste, am wenigsten durchlässige Barriere gefordert ist; etwa 70 % Zement, wo moderater Schutz und Kostenbalance gewünscht sind; und nur 50 % Zement in gering gefährdeten Zonen mit moderatem Wasserdruck. Im Kern verbindet diese Arbeit die Vorgänge in unsichtbaren mikroskopischen Poren mit praktischen Entscheidungen zur Bergwerksicherheit und Umweltschutz und zeigt, wie eine sorgfältig konzipierte Ton‑Zement‑Wand Wasser an seinem Ort halten kann.

Zitation: Lujun, C., Yaoxiang, W., Kun, W. et al. Permeability evolution and microstructural regulation of clay cement grouted body under coupled seepage and stress conditions. Sci Rep 16, 9758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39995-2

Schlüsselwörter: Verpressung im Bergbau, Grundwasserkontrolle, Tonzementbarrieren, Gesteinsdurchlässigkeit, Untertagessicherheit