Experimentell studie av injekteringsdiffusionsmekanismen i sprucket berg

Hålla underjordiska salar säkra

Djupa underjordiska utrymmen — som de som rymmer pumpar i kolgruvor — måste stå emot det stora tryck som omgivande berglager utövar. Om berget börjar spricka och röra sig kan väggar buktas ut med tiotals centimeter, vilket hotar utrustning, personal och hela anläggningen. Denna studie undersöker hur man bättre kan "lappa ihop" sönderbrutet berg med cementbaserad grout, så att långa underjordiska kammare förblir stabila och säkra över många år.

En pumpkammare under extrem belastning

Forskningen fokuserade på en stor pumpkammare i Kinas Wanfu-kolgruva, mer än 800 meter under markytan. Trots ett omfattande stödsystem av stålgängor, kablar och betongförstärkning fortsatte kammarens väggar och tak att deformeras. Under mer än 450 dagars övervakning rörde sig den högra väggen inåt med upp till 751 millimeter — nästan bredden på en vanlig dörr — och golvet svällde upp med mer än 30 centimeter. Borrhål i det omgivande berget visade en kraftigt sprucken "svårt skadad" zon som sträckte sig upp till 7 meter djup, en mellanliggande övergångszon och därefter intakt berg. Befintliga gängor och kablar var i huvudsak förankrade i den spruckna regionen, så de kunde inte utveckla sin fulla bärighet.

Hur grout sprider sig genom sprucket berg

För att förstå hur man kan återställa styrkan i sådant skadat berg byggde teamet en stor laboratorieuppställning som kunde rymma konstgjorda spruckna bergblock 1,2 meter långa. De pumpade in cementgrout i dessa block och skar sedan upp dem i segment för att testa hur stark varje del blev med avstånd från injektionspunkten. Två vardagliga variabler undersöktes: storleken på bergfragmenten och hur vattnig grouten var (vattencementkvoten). I samtliga fall sjönk tryckhållfastheten — hur mycket tryck materialet tål — ju längre från där grouten injicerades.

Tre styrkezoner runt en gänga

Styrketesterna visade tre tydliga zoner runt det injekterade området. Närmast injektionspunkten fanns en "initial avklingningszon" upp till cirka 400 millimeter med hög hållfasthet som snabbt avtog. Från ungefär 400 till 1000 millimeter fanns en "gradvis avklingningszon" där hållfastheten minskade långsammare. Därutanför låg en "randzon" där kvaliteten och styrkan sjönk igen. Detta mönster speglar hur grouten flödar och sätter sig: nära ingången är den tät och väl packad; längre ut rör den sig långsammare, separeras något under gravitationen och fångar fler håligheter, vilket lämnar svagare material i ytterkanten.

Varför fragmentstorlek spelar större roll än vattning

Att ändra storleken på de spruckna bergbitarna visade sig vara viktigare än att ändra hur vattnig grouten var. Större fragment skapade bredare sprickor som tillät grouten att färdas längre, vilket förlängde den effektiva diffusionsdistansen från 800 millimeter med små bitar till 1000 millimeter med de största. Mycket stora fragment införde dock också fler svaga gränsytor där sprickor kunde uppstå. Att justera vattencementkvoten hade en mer modest effekt på hur långt grouten nådde — diffusionsavståndet höll sig nära 1 meter — men påverkade starkt den övergripande hållfastheten och homogeniteten. En medelblandning (vattencementkvot 0,5) gav en god balans: starkt, relativt enhetligt material utan för många luftfickor.

Från labbtester till verklig gruvsäkerhet

Med dessa insikter omformade ingenjörerna stödet i pumpkammaren. De lade till injekterade gängor i ett förskjutet mönster och säkerställde att gängor och kabellängder sträckte sig minst 1 meter förbi den svårt skadade zonen in i fast berg. De antog också den rekommenderade vattencementkvoten 0,5 för fältinjektering. Efter sex månaders ny övervakning sjönk rörelserna i den högra väggen från över 750 millimeter till strax under 40 millimeter — en minskning på cirka 95 procent. Enkelt uttryckt förvandlade noggrant planerad injektering ett svårt deformerande underjordiskt rum till ett stabilt utrymme, vilket visar hur förståelse för groutens spridning och bergsprickning direkt kan omsättas i säkrare och mer pålitlig underjordisk ingenjörskonst.

Citering: 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

Nyckelord: bergstöd under jord, injektering, sprucket berg, kolgruveingenjörskonst, bergstabilitet