Badawcze studium nad mechanizmem dyfuzji zaczynu w rozszczepionej skale

Utrzymanie bezpieczeństwa podziemnych komór

Głębokie przestrzenie pod ziemią — takie jak te, w których mieszczą się pompy w kopalniach węgla — muszą wytrzymywać ogromne ciśnienie otaczającej je skały. Jeśli skała zaczyna pękać i przemieszczać się, ściany mogą wypychać się o dziesiątki centymetrów, zagrażając sprzętowi, pracownikom i całemu przedsięwzięciu. Niniejsze badanie analizuje sposoby lepszego „sklejania” rozdrobnionej skały za pomocą zaczynu cementowego, aby długie podziemne komory pozostały stabilne i bezpieczne przez wiele lat.

Pomieszczenie pomp pod skrajnym obciążeniem

Naukowcy skupili się na dużej komorze pomp w kopalni Wanfu w Chinach, ponad 800 metrów pod ziemią. Pomimo rozbudowanego systemu podparcia z kotew stalowych, kabli i obudowy betonowej, ściany i strop komory nadal się odkształcały. W ciągu ponad 450 dni monitoringu prawa ściana przesunęła się do wnętrza nawet o 751 milimetrów — niemal szerokość drzwi — a posadzka wypiętrzyła się o ponad 30 centymetrów. Otwory wiertnicze wykonane w otaczającej skale wykazały silnie spękaną strefę „ciężko uszkodzoną” sięgającą do 7 metrów głębokości, strefę przejściową i dalej nienaruszoną skałę. Istniejące kotwy i liny były zakotwione głównie w rozdrobnionym obszarze, więc nie mogły osiągnąć pełnej wytrzymałości.

Jak zaczyn rozprzestrzenia się w rozdrobnionej skale

Aby zrozumieć, jak przywrócić wytrzymałość tak uszkodzonej skały, zespół zbudował dużą aparaturę laboratoryjną mieszczącą sztuczne bloki rozszczepionej skały o długości 1,2 metra. Pompowali zaczyn cementowy do tych bloków, a następnie kroili je na segmenty, by zbadać, jak mocne stały się poszczególne części w zależności od odległości od punktu wtrysku. Zbadano dwa praktyczne czynniki: wielkość fragmentów skały oraz płynność zaczynu (stosunek wody do cementu). We wszystkich przypadkach wytrzymałość na ściskanie — czyli siła, jaką materiał może wytrzymać przy ściskaniu — malała wraz z odległością od miejsca wprowadzenia zaczynu.

Trzy strefy wytrzymałości wokół kotwy

Badania wytrzymałości wykazały trzy odrębne strefy wokół zaizolowanego zaczynem obszaru. Najbliżej punktu wtrysku znajdowała się „strefa początkowego spadku” do około 400 milimetrów, charakteryzująca się wysoką wytrzymałością, która szybko maleje. Od około 400 do 1000 milimetrów pojawiała się „strefa stopniowego spadku”, w której wytrzymałość zmniejszała się wolniej. Za nią rozciągała się „strefa krawędziowa”, gdzie jakość i wytrzymałość ponownie spadały. Ten układ odzwierciedla sposób przepływu i osadzania się zaczynu: blisko wejścia jest on gęsty i dobrze upakowany; dalej porusza się wolniej, częściowo oddziela się pod wpływem grawitacji i zamyka więcej pustek, pozostawiając słabszy materiał na zewnętrznym obrzeżu.

Dlaczego wielkość fragmentów skały ma większe znaczenie niż rozrzedzenie mieszanki

Zmienność wielkości kawałków rozdrobnionej skały okazała się ważniejsza niż zmiana płynności zaczynu. Większe fragmenty tworzyły szersze szczeliny, które pozwalały zaczynowi przemieszczać się dalej, zwiększając efektywną odległość dyfuzji z 800 milimetrów przy małych kawałkach do 1000 milimetrów przy największych. Jednak bardzo duże fragmenty wprowadzały też więcej słabych powierzchni, gdzie mogły powstać pęknięcia. Regulacja stosunku wody do cementu miała skromniejszy wpływ na zasięg, który pozostawał bliski 1 metrowi, ale silnie wpływała na ogólną wytrzymałość i jednorodność. Mieszanka o średnim stosunku woda–cement = 0,5 dała dobry kompromis: materiał mocny, stosunkowo jednorodny i z niewielką ilością pustek powietrznych.

Od testów laboratoryjnych do bezpieczeństwa w kopalni

Korzystając z tych wniosków, inżynierowie przeprojektowali system podparcia komory pomp. Dodano kotwy z zaczynem w układzie przesuniętym i zapewniono, że długość kotew i kabli sięga przynajmniej 1 metra poza strefę ciężko uszkodzoną w głąb zdrowej skały. W terenie przyjęto także zalecany stosunek woda–cement 0,5 do zatłaczania. Po sześciu miesiącach nowego monitoringu przemieszczenia prawej ściany spadły z ponad 750 milimetrów do niecałych 40 milimetrów — czyli o około 95 procent. Mówiąc prościej, starannie zaplanowane zatłaczanie przekształciło silnie odkształcające się podziemne pomieszczenie w przestrzeń stabilną, pokazując, jak zrozumienie rozprzestrzeniania się zaczynu i stopnia rozdrobnienia skały może bezpośrednio przekładać się na bezpieczniejsze i bardziej niezawodne inżynierstwo podziemne.

Cytowanie: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Słowa kluczowe: podziemne zabezpieczenie skał, zaczyn, rozszczepiona skała, inżynieria kopalń węgla, stabilność skał