Полевая практика и закон распространения цементного раствора в напорном водоносном горизонте под плащом угольной шахты

Почему важно предотвращать затопления шахт

Глубокие подземные угольные шахты проходят не только через породы — они также пересекают скрытые под давлением водоносные пласты. Если эта вода внезапно прорывается в выработки, она может затопить оборудование, угрожать жизни людей и остановить подачу энергии. В этом исследовании рассматривается, как лучше загерметизировать трещины под угольной пластом с помощью тщательно подобранных цементных смесей, чтобы под давлением находящаяся грунтовая вода оставалась на месте и шахтеры могли безопасно работать.

Запечатывание скрытых трещин «жидкой породой»

Для контроля притока воды из водоносных горизонтов инженеры часто нагнетают в породу перекачиваемый «раствор» на основе цемента или цемента с добавлением глины. Эта жидкость проникает в тонкие трещины и поры, затем затвердевает и образует сплошный барьер. Авторы сосредоточились на двух практических вопросах: как выбрать оптимальную рецептуру раствора и как этот раствор фактически распространяется по трещиноватой породе при высоком водяном давлении. Они протестировали чисто цементные и цементно-глинистые смеси в лаборатории, а затем с помощью компьютерного моделирования и испытаний в реальной шахте проследили поведение этих смесей под землей.

Поиск правильной рецептуры

В лаборатории команда приготовила десятки небольших партий с различной плотностью и соотношением воды, цемента и глины. Они измеряли пять ключевых свойств, важных для полевых условий: пластичность раствора (его способность течь), фильтрацию (насколько сильно выделяется свободная вода), долю оставшегося твердого «камня» после затвердевания, время схватывания и прочность затвердевших образцов. Более плотные смеси обычно текли медленнее, но образовывали более массивную и прочную структуру, тогда как более легкие смеси выделяли больше воды и дольше твердили. Учитывая эти компромиссы, исследователи выбрали одну чисто цементную и одну цементно-глинистую смеси как оптимальные: обе обеспечивали низкую фильтрацию, хорошее заполнение трещин и набирали достаточную прочность, не схватываясь настолько быстро, чтобы рабочие не успели завершить инъекции.

Как раствор распространяется в трещиноватой породе

Далее команда создала детальную компьютерную модель массива породы, включающую зону дробления с множеством мелких трещин и более крупную основную трещину, по которой может двигаться вода. Они смоделировали нагнетание выбранной цементно-глинистой смеси в эту систему, учитывая движение жидкости и деформацию породы. Моделирование показало, что более высокое давление на нагнетании продвигает раствор дальше и быстрее, но его давление неуклонно снижается с расстоянием и в конечном счете почти сравнивается с природным давлением воды. Более широкие трещины и более проницаемые породы позволяют раствору двигаться быстрее и заполнять большую область; в некоторых случаях, после накопления достаточного объема, раствор внезапно «прорывается» в основную трещину, быстро расширяя зону закупорки, прежде чем поток постепенно замедлится и стабилизируется.

Применение метода под землей

Затем исследователи применили оптимизированный раствор в китайской угольной шахте, где подошва расположена над водонасыщенным известняковым горизонтом примерно в 140 метрах от поверхности. Они пробурили три группы нагнетательных скважин и закачали более 100 000 тонн цементно-глинистой смеси под тщательно контролируемым давлением. Отслеживая, сколько раствора поглотил каждый ствол и как порода восприняла воду в последующих гидравлических испытаниях, они подтвердили, что трещины и каналы в наиболее опасных зонах были эффективно заполнены. Последующие скважины потребовали меньше раствора, что свидетельствовало о том, что ранние инъекции уже укрепили и закупорили большую часть трещиноватой сети.

Что это значит для безопасности горных работ

Для неспециалистов ключевая мысль в том, что затопления шахт из-за напорной грунтовой воды — это не просто невезение, а результат того, насколько свободно вода может перемещаться по невидимым трещинам под выработками. Это исследование показывает, что, корректируя состав «жидкой породы» и понимая, как она течет под давлением, инженеры могут проектировать инъекционные планы, которые более надежно закупоривают эти трещины и снижают риски. Сочетание лабораторных испытаний, физически обоснованного моделирования и натурных испытаний в шахте указывает на более предсказуемые, научно обоснованные подходы к поддержанию сухости и безопасности глубоких угольных разработок.

Цитирование: 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

Ключевые слова: контроль вод в угольной шахте, цементный раствор для инъекций, водоносный пласт подошвы, герметизация трещиноватых пород, численное моделирование