Fältanvändning och diffusionslag för injekteringsslurry i golvvattenförande akvifer i ett kolgruveområde

Varför det är viktigt att stoppa gruvöversvämningar

Djupa underjordiska kolgruvor bryter inte bara igenom berg — de skär också igenom dolda, trycksatta vattendrag. Om det vattnet plötsligt tränger in i tunnlarna kan det översvämma utrustning, hota människoliv och slå ut energiförsörjningen. Denna studie undersöker hur man bättre kan täppa till sprickor under ett kolskikt med noggrant utformade cementblandningar, så att trycksatt grundvatten hålls på plats och gruvarbetarna kan arbeta säkert.

Täppa igen dolda sprickor med flytande berg

För att kontrollera vatteninbrott från golvakviferer injicerar ingenjörer ofta en pumpbar ”slurry” av cement eller cement blandat med lera i berget. Denna vätska tränger in i fina sprickor och porer och stelnar sedan till en solid barriär. Författarna fokuserade på två praktiska frågor: hur man väljer den bästa recepturen för slurryn och hur slurryn faktiskt sprids i sprucken berggrund under starkt vattentryck. De testade rena cementblandningar och cement–lerblandningar i laboratoriet och använde därefter datorbaserade simuleringar och en verklig kolgruva för att se hur dessa blandningar beter sig under marken.

Hitta rätt recept

I laboratoriet blandade teamet dussintals små satser som skiljde sig åt i densitet och i mängden vatten, cement och lera. De mätte fem viktiga egenskaper som spelar roll i fältet: hur lätt slurryn flyter, hur mycket fritt vatten som pressas ut, hur mycket fast ”sten” som återstår efter härdning, hur lång tid det tar att stelna och hur starka de härdade blocken blir. Tätare blandningar flöt generellt långsammare men bildade mer solid och starkare sten, medan lättare blandningar släppte ifrån sig mer vatten och tog längre tid att härda. Genom att väga dessa kompromisser valde forskarna ut en ren cementblandning och en cement–lerblandning som optimala: båda höll vattengenomslaget lågt, fyllde sprickor väl och uppnådde tillräcklig styrka utan att stelna så snabbt att arbetarna skulle få ont om tid för injektion.

Hur slurry sprids i sprucket berg

Därefter byggde teamet en detaljerad datormodell av en bergmassa som innehåller både en krosszon full av många små sprickor och en större huvudspricka som kan transportera vatten. De simulerade pumpning av den valda cement–ler-slurryn in i detta system samtidigt som de tog hänsyn till vätskeflöde och bergdeformation. Simuleringarna visade att högre pumptryck driver slurryn längre och snabbare, men att dess tryck stadigt avtar med avstånd tills det nästan matchar det naturliga vattentrycket. Bredare sprickor och mer poröst berg gör att slurryn rör sig snabbare och fyller ett större område; i vissa fall, när tillräckligt med slurry ackumulerats, tränger den plötsligt igenom in i huvudsprickan och förlänger snabbt den förseglade zonen innan flödet gradvis avtar och stabiliseras.

Användning i en verklig gruva

Forskarna tillämpade sedan sin optimerade slurry i en kinesisk kolgruva där berget i gruvgolvet ligger ovanför ett vattenrikt kalkstenslager cirka 140 meter under ytan. De borrade tre grupper av injektionshål och pumpade in mer än 100 000 ton av cement–lerblandningen under noggrant kontrollerade tryck. Genom att spåra hur mycket slurry varje hål absorberade och hur berget accepterade vatten under uppföljande trycktester kunde de bekräfta att sprickor och kanaler i de mest riskfyllda områdena hade fyllts effektivt. Senare hål behövde mindre slurry, vilket indikerade att tidigare injektioner redan hade förstärkt och förseglat stora delar av spricknätverket.

Vad detta betyder för säkrare gruvdrift

För icke-specialister är huvudbudskapet att gruvöversvämningar från trycksatt grundvatten inte bara är otur — de beror i hög grad på hur vatten kan röra sig genom osynliga sprickor under gruvan. Denna studie visar att genom att finjustera ”flytande berg”-blandningen och förstå hur den flödar under tryck kan ingenjörer utforma injektionsplaner som tätar dessa sprickor mer tillförlitligt och med lägre risk. Kombinationen av laboratorietester, fysikbaserade simuleringar och fullskaliga gruvprov tyder på mer förutsägbara, vetenskapligt vägledda metoder för att hålla djup kolbrytning torr och säker.

Citering: 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

Nyckelord: vattenkontroll i kolgruva, injekteringsslurry, golvakvifer, tätning av sprucken berggrund, numerisk simulering