DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673038
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Cao Zhengzheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: الحقن، والريولوجيا، وميكانيكا التربة
نظرة عامة
تدرس الدراسة سلوك المونة تحت الضغط الهيدروستاتيكي للتخفيف من حوادث تدفق المياه من طبقات المياه الجوفية في مناجم الفحم، والتي تمثل حوالي 55% من هذه الحوادث. تركز الدراسة على نوعين من المونة: خليط الأسمنت النقي وخليط الأسمنت والطين، وتحلل خصائصهما من خلال الاختبارات المتعامدة. تكشف النتائج الرئيسية أن اللزوجة ومعدل تكوين الحجر وقوة الضغط لكل من المونتين تزداد مع الكثافة النوعية، بينما تنخفض نسبة النزيف ووقت التصلب. تم تحديد التركيبات المثلى وهي الخليط A2 (أسمنت نقي) بنسبة ماء إلى أسمنت 1.10:1 وكثافة نوعية 1.48، والخليط B1 (أسمنت وطين) بنسبة تربة إلى أسمنت 1:1 وكثافة نوعية 1.53.
تؤكد الدراسة أيضًا أن ضغط الحقن الأولي الأعلى يعزز من نصف قطر الانتشار ومعدل المونة، مع وجود علاقة ملحوظة بين انتشار المونة وعرض الشقوق الأولية والمسامية. مع زيادة عرض الشقوق، يرتفع حجم انتشار المونة بشكل أكثر حدة مع مرور الوقت. كما تبرز الأبحاث ديناميات سرعة تدفق المونة، التي ترتفع في البداية عند دخولها الشقوق قبل أن تستقر مع انخفاض الضغط. تم تطبيق التركيبة المثلى للمونة بنجاح في عملية ميدانية على عمق 140 م في منطقة التعدين Zhaojiazhai 22، محققة اختراقًا كبيرًا وملتزمة بمواصفات التصميم، مما يؤكد فعالية معلمات الحقن المقترحة.
النتائج
في تحليل نتائج الاختبارات المتعلقة بمؤشرات أداء خليط الأسمنت النقي وخليط الأسمنت والطين، ظهرت اللزوجة كمعامل حاسم لتقييم سيولة المونة. تشير النتائج إلى وجود علاقة إيجابية بين الكثافة النوعية لخليط الأسمنت النقي ولزوجته؛ حيث تنخفض اللزوجة مع انخفاض الكثافة النوعية. تكشف الدراسة أن اللزوجة مرتبطة سلبًا بنسبة الماء إلى الأسمنت، حيث تم ملاحظة أقصى وقت تدفق يبلغ 17.21 ثانية عند نسبة ماء إلى أسمنت 1، بينما تحدث الحد الأدنى من اللزوجة ووقت التدفق البالغ 14.41 ثانية عند نسبة ماء إلى أسمنت 2.5.
بالنسبة لمونة الأسمنت والطين، تظهر النتائج وجود علاقة إيجابية بين لزوجة المونة والكثافة النوعية عند نسبة تربة إلى أسمنت ثابتة. مع زيادة محتوى الأسمنت، تنخفض نسبة التربة إلى الأسمنت، مما يؤدي إلى انحدار أكثر حدة في منحنى اللزوجة، مما يشير إلى زيادة لزوجة المونة مع كل خطوة إضافية من محتوى الأسمنت. تؤكد هذه النتائج على أهمية تحسين نسبة المونة لتعزيز السيولة والأداء في التطبيقات العملية.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تحسين نسب مواد الحقن لتحسين تأثير الحقن وتقليل تكاليف المشروع. تم إجراء تقييم منهجي للخصائص الفيزيائية وتكاليف التركيبات المختلفة من المونة، بما في ذلك مونة الأسمنت النقي ومونة الأسمنت والطين. أسست الدراسة نسب الخلط المثلى بناءً على حسابات الكثافة النوعية والاختبارات الشاملة للخصائص الفيزيائية والميكانيكية، مما أدى إلى تحديد عينتين مثليتين من المونة: العينة A2 (مونة الأسمنت النقي) والعينة B1 (مونة الأسمنت والطين). تم تحليل مؤشرات الأداء الرئيسية مثل اللزوجة، ومعدل فصل الماء، ومعدل الحجر، وأوقات التصلب، وقوة الضغط، مما يكشف أن معدل فصل الماء يزداد مع ارتفاع نسبة الماء إلى الأسمنت، بينما يرتبط معدل الحجر إيجابيًا بمحتوى الأسمنت.
علاوة على ذلك، تقدم الدراسة نموذج اقتران سائل-صلب لدراسة انتشار المونة في الكتل الصخرية المتصدعة، باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics. يأخذ النموذج في الاعتبار المعلمات الرئيسية مثل ضغط الحقن الأولي، والمسامية، وعرض الشق، مما يظهر أن الضغوط الأولية الأعلى والشقوق الأوسع تعزز من انتشار المونة. أشارت المحاكاة العددية إلى أن حجم انتشار المونة يزداد مع كل من الضغط الأولي وعرض الشق، بينما تؤثر المسامية أيضًا إيجابيًا على معدل الانتشار. توفر النتائج رؤى قيمة للتطبيقات الميدانية، لا سيما في إدارة أضرار المياه في عمليات التعدين، حيث تم تحديد معلمات حقن محددة لضمان تعزيز فعال وإغلاق التكوينات الصخرية المتصدعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673038
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Cao Zhengzheng et al.
Primary Topic: Grouting, Rheology, and Soil Mechanics
Overview
The study investigates the behavior of grout under hydrostatic pressure to mitigate water inrush incidents from floor aquifers in coal mines, which account for approximately 55% of such incidents. It focuses on two grout types: pure cement slurry and a cement-clay mixture, analyzing their properties through orthogonal testing. Key findings reveal that the viscosity, stone formation rate, and compressive strength of both grouts increase with specific gravity, while the bleeding rate and setting time decrease. The optimal formulations identified are mix A2 (pure cement) with a water-cement ratio of 1.10:1 and specific gravity of 1.48, and mix B1 (cement-clay) with a soil-cement ratio of 1:1 and specific gravity of 1.53.
The study further establishes that higher initial grouting pressure enhances the diffusion radius and rate of grout, with a notable correlation between grout diffusion and initial crack width and porosity. As crack width increases, the grout diffusion volume fraction rises more sharply over time. The research also highlights the dynamics of grout flow velocity, which initially spikes upon entering fractures before stabilizing as pressure decreases. The optimized grout formulation was successfully applied in a field operation at a depth of 140 m in the Zhaojiazhai 22 mining area, achieving significant penetration and satisfying design specifications, thereby confirming the effectiveness of the proposed grouting parameters.
Results
In the analysis of test results regarding the performance indexes of pure cement slurry and cement clay slurry, viscosity emerged as a critical parameter for assessing grout fluidity. The findings indicate a positive correlation between the specific gravity of pure cement slurry and its viscosity; as specific gravity decreases, viscosity correspondingly decreases. The study reveals that the viscosity is negatively correlated with the water-cement ratio, with a maximum flow time of 17.21 seconds observed at a water-cement ratio of 1, while the minimum viscosity and flow time of 14.41 seconds occur at a water-cement ratio of 2.5.
For cement clay grout, the results demonstrate a positive correlation between grout viscosity and specific gravity at a constant soil-cement ratio. As the cement content increases, the soil-cement ratio decreases, leading to a steeper viscosity curve, which indicates an increase in grout viscosity with each incremental step of cement content. These findings underscore the importance of optimizing the grout ratio to enhance fluidity and performance in practical applications.
Discussion
In this section, the research discusses the optimization of grouting material ratios to improve the grouting effect and reduce project costs. A systematic evaluation of the physical properties and costs of various slurry formulations, including pure cement and cement-clay slurries, was conducted. The study established optimal mix proportions based on specific gravity calculations and comprehensive testing of physical and mechanical properties, leading to the identification of two optimal grout samples: sample A2 (pure cement slurry) and sample B1 (cement-clay slurry). Key performance indicators such as viscosity, water separation rate, stone rate, setting times, and compressive strength were analyzed, revealing that the water separation rate increases with a higher water-cement ratio, while the stone rate is positively correlated with cement content.
Furthermore, the research introduces a fluid-solid coupling model to study the diffusion of grout in fractured rock masses, utilizing COMSOL Multiphysics software. The model considers key parameters such as initial grouting pressure, porosity, and crack width, demonstrating that higher initial pressures and wider cracks enhance grout diffusion. Numerical simulations indicated that grout diffusion volume fraction increases with both initial pressure and crack width, while porosity also positively influences the diffusion rate. The findings provide valuable insights for field applications, particularly in managing water damage in mining operations, where specific grouting parameters were established to ensure effective reinforcement and sealing of fractured rock formations.