在渗流与应力耦合条件下黏土水泥注浆体的渗透性演化及微观结构调控

为什么在矿山中阻水至关重要

深部地下矿井常年与一个持续的敌人作斗争：沿岩体裂隙涌入的水。如果这些水无法被控制，可能淹没巷道、停止生产，甚至危及生命。注入黏土与水泥的混合浆液以在岩体中形成阻水墙，是一种有前景的解决方案。本研究提出了一个实用而关键的问题：在被围岩挤压并遭受流动地下水作用的情况下，这种黏土‑水泥屏障随时间的防水性能如何？

构筑地下屏障

研究者使用由红土、普通硅酸盐水泥与水组成的“注浆体”——这些材料易得且相对环保。他们制备了三种不同水泥含量的固体圆柱样品：按质量计算分别为50%、70%和90%。这些圆柱代表注浆后在矿体中形成的硬化屏障。样品固化近一个月后，研究团队将其放入一种特殊装置，该装置可对样品施加全向挤压、在加压下推动水流通过，并在数小时内跟踪水的流动情况。

观察水如何穿过微小通道

在试验体系中，样品同时受两类作用力。水压推动流体穿透样品，模拟地下水向矿井渗透；而外加的“围压”则像覆盖岩体那样挤压样品。科学家测量了流量、渗透性（易透性）以及材料内部的空隙率。每次试验开始时，水迅速充满最大孔隙，流量猛增，渗透性达到峰值。随后几个小时内，围压逐渐使材料致密化，孔隙收缩、水流通道变窄，直到流量与渗透性降至并稳定在更低的值。

水泥含量如何改变内部迷宫

为了探明显微尺度上的变化，团队在试验前后采用核磁共振、X射线衍射和电子显微镜对内部结构进行表征。结果显示，随着水泥含量增加，材料内部的孔隙网络显著收紧。从50%提升到90%水泥不仅降低了渗透性和总体孔隙率，还使孔隙规模从较大通道转向以微小孔隙为主。水泥水化生成的化学产物填充了黏土颗粒之间的空隙，将相对开放的网络转变为致密的骨架，减少了连通的导水路径。50%水泥样品具有更多中到大尺度孔隙，它们彼此连通形成高效的水流通道；而90%水泥样品则充斥着微孔，使水流速度极其缓慢。

水与压力的拉锯战

研究揭示，屏障的表现受水对孔道扩张倾向与外界压力对孔道闭合倾向之间的竞争控制。更高的水压赋予流体更多能量以侵蚀并扩大孔隙，将许多微小孔转化为较大孔，从而提高渗透性。相反，更高的围压则压缩材料，关闭中等尺寸孔隙，强化狭窄通道主导的结构以抵抗流动。这两种效应的平衡决定了屏障随时间是变得更渗漏还是更致密。由于水泥化学也影响孔隙被压实或被侵蚀的难易程度，硬化注浆体的矿物成分成为工程师可调控的重要因素。

更安全、更环保矿山的实际选择

对非专业读者来说，结论很直观：通过调节黏土与水泥的配比，工程师可以设计出几乎不透水的地下屏障，也可以在不需要完全阻断时允许有限流量。作者建议：当矿区毗邻重要含水层并且需要最强、最不透水的屏障时，可采用约90%水泥；在需兼顾中等防护与成本时，可采用约70%水泥；在低风险、地下水压力不大区域，可仅用50%水泥。归根结底，这项工作将肉眼看不见的微观孔隙演化与现实中的矿山安全和环境保护决策联系起来，表明经过精心设计的黏土‑水泥墙体能够把水保持在原位。

引用: 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

关键词: 矿山注浆, 地下水控制, 黏土水泥屏障, 岩体渗透性, 地下安全