Эволюция проницаемости и микроструктурная регуляция глинисто-цементного замоноличенного тела при совместном воздействии фильтрации и напряжений

Почему важно останавливать воду в шахтах

Глубокие подземные шахты часто сталкиваются с постоянной проблемой: нежелательной водой, проникающей через трещины в породе. Если эту воду не контролировать, она может затопить выработки, остановить добычу и даже угрожать жизни людей. Одно многообещающее решение — введение в породу смеси глины и цемента, формирующей подземную стену, которая препятствует потоку. В этом исследовании ставится практический, но ключевой вопрос: насколько эффективно такая глинисто-цементная преграда противостоит воде со временем, когда на неё действует горное давление и через неё проходит фильтрующаяся грунтовая вода?

Создание подземного щита

Исследователи работали с «замоноличенным телом», изготовленным из красной глины, портландцемента и воды — материалов, широко доступных и относительно экологичных. Они приготовили плотные цилиндры этой смеси с тремя различными содержаниями цемента: 50%, 70% и 90% по массе. Эти цилиндры имитируют затвердевший барьер, который образуется в породе после инъекции. После выдержки образцов почти месяц команда поместила их в специальный прибор, который может сжимать образцы со всех сторон, пропускать через них воду под давлением и отслеживать, насколько легко вода проходит в течение нескольких часов.

Наблюдение за движением воды по мелким каналам

В испытательном устройстве образцы одновременно испытывали два воздействия. Давление воды проталкивало жидкость через них, моделируя фильтрацию грунтовых вод, в то время как внешнее «оборачивающее» давление сжимало материал так, как это происходило бы под слоем горных пород. Ученые измеряли скорость потока, проницаемость и пористость материала. В начале каждого испытания вода быстро заполняла самые крупные поры, скорость потока резко возрастала, и проницаемость достигала пика. В течение следующих нескольких часов оборачивающее давление постепенно уплотняло образец, сжимая поры и сужая водные каналы, пока поток и проницаемость не выравнивались на значительно более низких, стабильных значениях.

Как содержание цемента изменяет внутренний лабиринт

Чтобы понять изменения на микроскопическом уровне, команда использовала ядерно-магнитный резонанс, рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию для изучения структуры до и после испытаний. Они выяснили, что увеличение доли цемента значительно «уплотняет» внутренний поровый лабиринт. При переходе от 50% к 90% цемента уменьшались и проницаемость, и общий объем пор, а распределение пор смещалось от более крупных каналов к преимущественно микропорам. Химические продукты гидратации цемента заполняли промежутки между частицами глины, превращая относительно открытую сеть в плотный каркас с меньшим числом связанных водных путей. Образцы с 50% цемента имели больше средних и крупных пор, связанных между собой и формирующих эффективные водопроводящие каналы, тогда как образцы с 90% цемента были заполнены микропорами, замедляющими поток до минимума.

Перетягивание каната между водой и давлением

Исследование показало, что работу барьера определяет конкуренция между стремлением воды расширять пути и давлением, которое стремится их закрыть. Более высокое давление воды давало потоку больше энергии для размыва и расширения пор, превращая многие микропоры в более крупные и повышая проницаемость. Напротив, повышенное оборачивающее давление сжимало материал, закрывая поры среднего размера и усиливая доминирование узких путей, сопротивляющихся потоку. Баланс между этими двумя эффектами определял, становилась ли преграда со временем более проницаемой или более плотной. Поскольку химия цемента также влияет на то, насколько легко поры уплотняются или разрушаются, минеральный состав отвердевающего замоноличенного тела — ключевой рычаг в руках инженеров.

Практические решения для более безопасных и экологичных шахт

Для неспециалистов основной вывод прост: регулируя долю цемента в смеси с глиной, инженеры могут проектировать подземные барьеры, которые либо почти полностью перекрывают поток воды, либо допускают ограниченное просачивание там, где полная герметизация не нужна. Авторы предлагают использовать около 90% цемента в районах, прилегающих к крупным водоносным образованиям, где требуется наибольшая и наименее проницаемая защита; около 70% цемента там, где необходим компромисс между защитой и стоимостью; и только 50% цемента в низкорискованных зонах с умеренным водным давлением. По сути, работа связывает процессы, происходящие в невидимых микропорах, с реальными решениями по безопасности шахт и охране окружающей среды, показывая, как тщательно сконструированная глинисто-цементная стенка может удерживать воду там, где ей положено быть.

Цитирование: 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

Ключевые слова: инъектирование в шахтах, контроль грунтовых вод, глинисто-цементные барьеры, проницаемость горных пород, подземная безопасность