煤矿采空区巷道底板含水层注浆浆液现场应用与扩散规律

为何阻止矿井涌水至关重要

深部地下煤矿不仅挖掘岩石——还常常穿越被压力封存的地下河流。如果这些水体突然涌入巷道，会淹没设备、危及生命并使能源生产中断。本研究探讨如何通过精心设计的水泥混合物更有效地封堵煤层下方的裂隙，以使受压地下水保持在原位，保障矿工安全作业。

用“液态岩石”封堵隐蔽裂隙

为控制来自底板含水层的涌水，工程人员常向岩体注入可泵送的“浆液”，这类浆液由水泥或水泥与粘土混合而成。液态浆液渗入细小裂隙与孔隙，随后硬化形成致密屏障。作者聚焦两个实际问题：如何选择最合适的浆液配方，以及这种浆液在强水压下如何在裂隙岩体中扩散。他们在实验室测试了纯水泥和水泥—粘土混合浆液，然后结合数值模拟与现场煤矿试验观察这些配比在地下的表现。

寻找合适的配方

在实验室中，团队配制了数十个在密度、水灰比和粘土含量上不同的小批量试样，测量了现场应用中关键的五项性能：浆液的流动性、析水量、硬化后残留的固体比例、凝结时间和硬化体的强度。密实的配比通常流动性较差，但形成的固体更多且强度更高；较稀的配比析水更多、凝结更慢。权衡这些取舍后，研究者选定了一种纯水泥配方和一种水泥—粘土配方作为最佳方案：两者都能保持低析水、良好填充裂隙并在不至于过快凝结影响施工的情况下获得足够强度。

浆液在裂隙岩体中的扩散规律

随后，团队建立了包含破碎带（充满许多小裂隙）和能够承载水流的主裂隙的详细岩体数值模型。他们模拟在考虑流体流动与岩体变形的条件下向该体系注入所选的水泥—粘土浆液。模拟结果显示，更高的注入压力能使浆液传播得更远、更快，但其压力会随距离稳步衰减，直至接近原有含水层的自然水压。裂隙更宽、岩体更具孔隙性的区域允许浆液更快传播并填充更大范围；在某些情况下，一旦浆液累积到一定量，会突然“突破”进入主裂隙，快速扩展封堵区，然后流动逐渐放缓并趋于稳定。

地下工程中的现场应用

研究人员随后在一处中国煤矿将优化后的浆液投入应用，该矿底板上方约140米处为富水的石灰岩层。他们钻设了三组注浆孔，在受控压力下泵入了超过10万吨的水泥—粘土混合浆液。通过跟踪各孔吸浆量及后续压力测试中岩体对水的接受情况，证实了在最危险区域的裂隙与通道已得到有效填充。后期注浆孔所需浆液量减少，表明早期注浆已强化并封堵了大部分裂隙网络。

对更安全采矿的启示

对非专业读者而言，关键信息是：来自受压地下水的矿井涌水并非偶然，而是强烈取决于水在工作面下看不见裂隙中的流动方式。本研究表明，通过调整“液态岩石”配方并了解其在受压条件下的流动行为，工程师可以设计出更可靠、风险更低的注浆方案。实验室试验、基于物理的数值模拟与大尺度矿井试验相结合，指向了一条更可预测、以科学为指导的深部煤矿防涌水路径。

引用: 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

关键词: 煤矿防水, 注浆浆液, 底板含水层, 破裂岩体封堵, 数值模拟