浸透と応力が連成する条件下における粘土セメント注入体の透水性変化と微細構造の制御

鉱山での止水が重要な理由

深部の地下鉱山では、常に一つの敵と戦っています。岩盤の割れ目から侵入する不要な地下水です。これを放置すれば坑道が冠水して操業が停止し、場合によっては命に関わることもあります。有望な対策の一つは、粘土とセメントの混合物を岩盤に注入して地下に流れを遮る壁を形成することです。本研究は実践的かつ重要な問いを投げかけます：注入してできた粘土‑セメント遮水体は、岩盤圧力により圧縮され、移動する地下水にさらされる条件下で、時間経過に伴いどれだけ水の流れを抑え続けられるのか？

地下の盾をつくる

研究者らは、赤粘土、普通ポルトランドセメント、水からなる「注入体」を用いました。これらは入手が容易で比較的環境負荷が小さい材料です。試験では、セメント含有量を質量比で50％、70％、90％の三種類にして固化した円柱試料を作製しました。これらの円柱は、注入後に鉱山内の周囲岩に形成される硬化遮水体を模しています。試料は約1か月間養生したのち、四方から等方的に圧縮でき、水を加圧して通水させ、数時間にわたる透水性の変化を追跡できる専用装置にセットされました。

微細な通路を通る水の観察

試験系では、試料は二つの力を同時に受けました。水圧が流体を押し通し、地下水が鉱山に浸入しようとする状況を再現し、一方で外部の等方圧が上覆岩と同様に材料を締め付けます。研究者らは流量、透水性（透水係数）、および材料内部の空隙率を測定しました。各試験開始時には大きな空隙が急速に水で満たされ、流量が急上昇して透水性がピークに達します。その後数時間で等方圧による締め付けが進み、空隙が縮小して水路が細くなり、最終的に流量と透水性ははるかに低い安定値に落ち着きました。

セメント含有量が内側の迷路をどう変えるか

ミクロなスケールで何が起きているかを把握するため、チームは核磁気共鳴（NMR）、X線回折（XRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、試験前後の内部構造を調べました。セメント含有量の増加は、空隙構造を大きく引き締めることが明らかになりました。セメントを50％から90％に増やすと、透水性と総空隙量の両方が低下し、空隙の分布は大きな通路から主に微小孔へと移行しました。セメントの水和生成物が粘土粒子間の隙間を埋め、比較的開放的だったネットワークを密な骨格へと変え、連通する水路が減少しました。セメント50％の試料は中〜大きめの空隙が多く連結して有効な水路を形成していたのに対し、90％の試料は微小孔が詰まり流れを著しく遅くしていました。

水と圧力の綱引き

研究は、遮水体の性能が「水が通路を拡大しようとする力」と「圧力が通路を閉じようとする力」との競合で決まることを示しました。高い水圧は流れる流体に空隙を侵食・拡大するエネルギーを与え、多くの微小孔を大きな孔へと転換して透水性を高めます。これに対して高い等方圧は材料を締め付け、中間サイズの空隙を閉じて細い通路が優勢となり流れに対して抵抗性を高めます。この二つの効果のバランスが、遮水体が時間とともに漏れやすくなるか、より密になるかを決めます。さらに、セメントの化学組成は空隙が圧縮されやすいか侵食されやすいかを左右するため、硬化注入材の鉱物組成は設計上の重要な操作点となります。

より安全で環境にやさしい鉱山のための実践的選択

専門外の方向けにまとめると要点は明快です：粘土に対するセメント配合量を調整することで、ほとんど水を通さない遮水体を設計することも、完全遮断が不要な箇所で限定的な流れを許容することも可能です。著者らは主要な帯水層に隣接して最も強固で透水性の低い遮蔽が必要な場所には約90％のセメントを、保護性能とコストのバランスが求められる場所には約70％を、低リスクで水圧が小さい区域には50％程度を推奨しています。本研究は目に見えない微小孔で起きていることを現場の安全性や環境保護に関する実際の判断につなげ、入念に設計された粘土‑セメント遮水体が水を所定の場所に留めることを示しています。

引用: 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

キーワード: 鉱山注入, 地下水管理, 粘土セメント遮水体, 岩石透水性, 地下安全性