Veldtoepassing en diffusiewet van injectiemortel in het grondwatersysteem onder een kolenmijn

Waarom het stoppen van mijnoverstromingen belangrijk is

Diepe ondergrondse kolenmijnen graven niet alleen door gesteente — ze snijden ook door verborgen rivieren die onder druk staan. Als dat water plots in tunnels binnendringt, kan het apparatuur overstromen, levens bedreigen en de energievoorziening lamleggen. Deze studie onderzoekt hoe men beter de scheuren onder een kolenlaag kan dichten met zorgvuldig ontworpen cementmengsels, zodat het onder druk staande grondwater op zijn plaats blijft en mijnwerkers veilig kunnen werken.

Verborgen scheuren dichten met vloeibaar gesteente

Om waterinstroom vanuit vloer-aquifers te beheersen, injecteren ingenieurs vaak een pompbare „mortel” van cement of cement gemengd met klei in het gesteente. Deze vloeistof trekt in fijne scheuren en poriën en verhardt vervolgens tot een solide barrière. De auteurs richtten zich op twee praktische vragen: hoe kies je het beste recept voor de mortel en hoe verspreidt die mortel zich daadwerkelijk door gescheurd gesteente onder hoge waterdruk? Ze testten zuivere cementmengsels en cement–klei mengsels in het laboratorium en gebruikten daarna computersimulaties en een echte kolenmijn om te zien hoe deze mengsels zich ondergronds gedragen.

Het juiste recept vinden

In het laboratorium maakte het team tientallen kleine batches met variërende dichtheid en verschillende verhoudingen water, cement en klei. Ze maten vijf sleutelkenmerken die in het veld van belang zijn: hoe gemakkelijk de mortel stroomt, hoeveel extra water eruit uitloopt, hoeveel vast “gesteente” overblijft na uitharding, hoe lang het duurt voordat het stolt, en hoe sterk de verharde blokken worden. Dichtere mengsels stroomden over het algemeen langzamer maar vormden steviger en sterker materiaal, terwijl lichtere mengsels meer water vrijgaven en langer nodig hadden om uit te harden. Door deze afwegingen te balanceren, selecteerden de onderzoekers één zuiver cementmengsel en één cement–klei mengsel als optimaal: beide hielden de wateruitloop laag, vulden scheuren goed en bereikten voldoende sterkte zonder zo snel te verharden dat arbeiders te weinig tijd zouden hebben om te injecteren.

Hoe mortel zich verspreidt in gescheurd gesteente

Vervolgens bouwde het team een gedetailleerd computermodel van een gesteentevolume met zowel een geplette zone vol kleine breuken als een grotere hoofdsscheur die water kan voeren. Ze simuleerden het oppompen van het gekozen cement–klei mengsel in dit systeem, waarbij ze rekening hielden met vloeistofstroom en gesteentedeformatie. De simulaties toonden aan dat hogere pompdruk de mortel verder en sneller doet doordringen, maar dat de druk na verloop van afstand geleidelijk daalt totdat deze vrijwel gelijk is aan de natuurlijke waterdruk. Brede scheuren en meer poreus gesteente laten de mortel sneller reizen en een groter gebied vullen; in sommige gevallen, eenmaal voldoende mortel opgehoopt, „doorbreekt” deze plotseling in de hoofdsscheur, waardoor de afgedichte zone snel uitbreidt voordat de stroming geleidelijk vertraagt en stabiliseert.

De methode ondergronds toepassen

De onderzoekers pasten hun geoptimaliseerde mortel vervolgens toe in een Chinese kolenmijn waar de vloer boven een waterrijke kalksteenlaag ligt op ongeveer 140 meter diepte. Ze boren drie groepen injectieputten en pompten meer dan 100.000 ton van het cement–klei mengsel onder zorgvuldig gecontroleerde drukken. Door bij te houden hoeveel mortel elke put opnam en hoe het gesteente water accepteerde tijdens vervolgdruktests, bevestigden ze dat de scheuren en kanalen in de gevaarlijkste gebieden effectief waren gevuld. Latere putten hadden minder mortel nodig, wat aangeeft dat eerdere injecties al een groot deel van het breuknetwerk hadden versterkt en afgedicht.

Wat dit betekent voor veiliger mijnbouw

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat mijnoverstroming door onder druk staand grondwater niet alleen pech is — het hangt sterk af van hoe water zich kan verplaatsen door onzichtbare scheuren onder de werkzaamheden. Deze studie laat zien dat door het „vloeibaar gesteente” mengsel te verfijnen en te begrijpen hoe het zich onder druk gedraagt, ingenieurs injectieplannen kunnen ontwerpen die die scheuren betrouwbaarder en met minder risico afdichten. De combinatie van laboratoriumtesten, fysica‑gebaseerde simulaties en grootschalige mijnproeven wijst op meer voorspelbare, door wetenschap geleide manieren om diepe kolenmijnbouw droog en veilig te houden.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: waterbeheer in kolenmijnen, injectiemortel, vloer-aquifer, afdichting van gescheurd gesteente, numerieke simulatie