Экспериментальное исследование механизма распространения инъекционного раствора в трещиноватой породе

Обеспечение безопасности подземных полостей

Глубокие подземные пространства — например камеры насосных установок в угольных шахтах — должны выдерживать значительное давление окружающей породы. Если порода начинает трещинить и смещаться, стены могут выдавливаться на десятки сантиметров, что ставит под угрозу оборудование, персонал и весь проект. В этом исследовании рассматриваются способы более эффективного «склеивания» разрушенной породы с помощью цементного раствора, чтобы длинные подземные камеры оставались стабильными и безопасными в течение многих лет.

Насосная камера под сильным напряжением

Исследователи сосредоточились на большой насосной камере на шахте Ванфу в Китае, более чем в 800 метрах под землей. Несмотря на мощную систему крепления из стальных анкерных болтов, тросов и бетонной облицовки, стены и кровля камеры продолжали деформироваться. В ходе мониторинга более 450 дней правая стена сместилась внутрь на максимальные 751 мм — почти ширину дверного полотна — а пол поднялся более чем на 30 см. Буровые скважины в окружающей породе выявили сильно разрушенную зону глубиной до 7 метров, промежуточную переходную зону и затем целую породу. Существующие болты и тросы были в основном закреплены в разрушенной части, поэтому они не могли развить полную несущую способность.

Как раствор распространяется по разрушенной породе

Чтобы понять, как восстановить прочность такой повреждённой породы, команда создала крупную лабораторную установку для образцов искусственно трещиноватой породы длиной 1,2 метра. В эти блоки подавали цементный раствор, затем разрезали их на сегменты и проверяли прочность каждой части на расстоянии от точки введения. Были изучены два практичных параметра: размер фрагментов породы и «водянистость» раствора (водоцементное отношение). Во всех случаях прочность на сжатие — способность материала выдерживать сжимающие нагрузки — снижалась по мере удаления от места ввода раствора.

Три зоны прочности вокруг анкера

Испытания прочности выявили три различные зоны вокруг инъецированной области. Ближе всего к точке введения располагалась «зона начального спада» до примерно 400 мм, где отмечалась высокая прочность, быстро убывающая с расстоянием. Примерно с 400 до 1000 мм находилась «зона постепенного снижения», где прочность уменьшалась более плавно. За ней следовала «краевая зона», где качество и прочность снова снижались. Такая картина отражает характер потока и осаждения раствора: у входа он плотен и хорошо упакован; дальше движение замедляется, часть твердых фракций оседает под действием гравитации и образует пустоты, из‑за чего на внешнем крае остаётся более слабый материал.

Почему размер фрагментов важнее, чем «водянистость» смеси

Изменение размера разрушенных кусочков породы оказалось важнее, чем изменение водоцементного отношения. Более крупные фрагменты образуют более широкие пустоты, позволявшие раствору проникать дальше, увеличивая эффективную дистанцию диффузии от 800 мм при мелких фракциях до 1000 мм при самых крупных. Однако очень крупные фрагменты также вводили больше слабых интерфейсов, где могли образовываться трещины. Регулировка водоцементного отношения оказывала более умеренное влияние на дальность распространения — дистанция диффузии оставалась около 1 метра — но сильно влияла на общую прочность и однородность. Средняя смесь (водоцементное отношение 0,5) дала хороший баланс: прочный, относительно однородный материал без чрезмерного количества воздушных пустот.

От лабораторных испытаний к безопасности в шахте

Используя эти выводы, инженеры пересмотрели схему крепления насосной камеры. Они добавили инъекционные анкерные болты в шахматном порядке и обеспечили длину болтов и тросов по крайней мере на 1 метр за пределами сильно повреждённой зоны в целую породу. Также в полевых работах приняли рекомендованное водоцементное отношение 0,5 для инъекций. Через шесть месяцев нового мониторинга смещения правой стены сократились с более чем 750 мм до чуть менее 40 мм — снижение примерно на 95 процентов. Проще говоря, тщательно спланированная инъекция превратила сильно деформирующуюся подземную камеру в стабильное пространство, показав, как понимание распространения раствора и характера разрушения породы прямо переводится в более безопасную и надёжную подземную инженерию.

Цитирование: 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

Ключевые слова: поддержка подземных горных выработок, инъекционная цементация, трещиноватая порода, угольная шахтная инженерия, устойчивость горных пород