Permeabiliteitsontwikkeling en microstructurele regeling van met klei‑cement geïnjecteerde massa onder gekoppelde seepage‑ en spanningscondities

Waarom waterdichting in mijnen ertoe doet

Diepe ondergrondse mijnen hebben vaak een voortdurende vijand: ongewenst binnendringend water via scheuren in het gesteente. Als dat water niet wordt beheerst, kan het tunnels overstromen, de productie stilleggen en zelfs levens kosten. Een veelbelovende oplossing is het injecteren van een mengsel van klei en cement in het gesteente, waarmee een ondergrondse barrière wordt gevormd die de stroming tegenhoudt. Deze studie stelt een praktische maar cruciale vraag: hoe goed houdt die klei‑cement barrière water op afstand in de loop van de tijd, terwijl zij wordt samengedrukt door gesteentelijke druk en wordt blootgesteld aan doorsijpelend grondwater?

Een ondergrondse schild opbouwen

De onderzoekers werkten met een "geinjecteerde massa" gemaakt van rode klei, gewone cement en water — materialen die ruim beschikbaar en relatief milieuvriendelijk zijn. Ze bereidden vaste cilinders van dit mengsel met drie verschillende cementgehaltes: 50%, 70% en 90% naar massa. Deze cilinders staan voor de verharde barrière die in een mijn ontstaat nadat grout in het omringende gesteente is geïnjecteerd. Na bijna een maand uithardingsperiode plaatste het team de monsters in een speciaal apparaat dat ze van alle kanten kan samendrukken, water onder druk doorheen kan sturen en kan volgen hoe gemakkelijk dat water zich gedurende enkele uren verplaatst.

Water zien bewegen door tiny gangen

In het testsysteem werden de monsters tegelijk aan twee typen krachten blootgesteld. Waterdruk duwde vloeistof door de monsters, wat grondwater nabootst dat in een mijn probeert binnen te sijpelen, terwijl een externe "omvattende" druk het materiaal samendrukt zoals het bovenliggende gesteente dat in werkelijkheid zou doen. De wetenschappers maten hoe snel water stroomde, hoe gemakkelijk het doorging (permeabiliteit) en hoeveel lege ruimte er in het materiaal aanwezig was (porositeit). Aan het begin van elke proef vulde het water snel de grootste poriën, schoten de stroomsnelheden omhoog en piekte de permeabiliteit. In de daaropvolgende uren compacterte de omvattende druk het materiaal geleidelijk, krompen de poriën en werden waterkanalen nauwer totdat de stroming en permeabiliteit stabiliseerden op veel lagere, constante waarden.

Hoe cementgehalte het innerlijke doolhof verandert

Om te zien wat op microschaal gebeurde, gebruikte het team kernspinresonantie, röntgendiffractie en elektronenmicroscopie om de interne structuur voor en na testen te onderzoeken. Ze vonden dat een hoger cementgehalte het interne poriën‑doolhof van het materiaal aanzienlijk aandraaide. Het verhogen van 50% naar 90% cement verminderde zowel de permeabiliteit als de totale poreuze ruimte en verschuift de poriënverdeling van grotere doorgangen naar hoofdzakelijk zeer kleine poriën. Chemische producten die bij het uitharden van het cement ontstonden, vulden de ruimtes tussen kleideeltjes op en veranderden een relatief open netwerk in een dicht skelet met minder verbonden waterroutes. Monsters met slechts 50% cement vertoonden meer middel‑tot‑grote poriën die met elkaar verbonden waren en efficiënte waterkanalen vormden, terwijl 90%‑cementmonsters vol microporiën zaten die de doorstroming tot een kruiptempo reduceerden.

Touwtrekken tussen water en druk

De studie toonde aan dat de prestaties van de barrière worden beheerst door een strijd tussen de neiging van water om paden te openen en de neiging van druk om ze te sluiten. Hogere waterdruk gaf de stromende vloeistof meer energie om poriën te eroderen en te verbreden, waardoor veel kleine poriën grotere werden en de permeabiliteit toenam. Daarentegen kneep hogere omvattende druk het materiaal samen, sluitende middelgrote poriën en versterkende dominantie van smalle doorgangen die de stroming tegenwerken. De balans tussen deze twee effecten bepaalde of de barrière in de loop van de tijd lekkerder of dichter werd. Omdat ook de cementchemie bepaalt hoe gemakkelijk poriën kunnen worden gecompacteerd of geërodeerd, is de minerale samenstelling van het verharde grout een belangrijke hefboom voor ingenieurs.

Praktische keuzes voor veiligere, groenere mijnen

Voor niet‑specialisten is de conclusie eenvoudig: door het cement‑klei‑verhouding af te stemmen, kunnen ingenieurs ondergrondse barrières ontwerpen die vrijwel geen water doorlaten, of beperkte stroming toestaan waar volledige afsluiting niet nodig is. De auteurs adviseren ongeveer 90% cement te gebruiken waar mijnen grenzen aan grote watervoerende lagen en de sterkste, minst permeabele barrière vereist is; ongeveer 70% cement waar een evenwicht tussen matige bescherming en kosten gewenst is; en slechts 50% cement in laagrisicogebieden met geringe waterdruk. In wezen verbindt dit werk wat er in onzichtbare microscopische poriën gebeurt met praktijkgerichte beslissingen over mijnveiligheid en milieubescherming, en laat zien hoe een zorgvuldig ontworpen klei‑cement wand water op de juiste plaats kan houden.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: mijninjectie, grondwaterbeheersing, klei‑cement barrières, gesteentepermeabiliteit, ondergrondse veiligheid