Механическое разрушение, вызванное щелевыми водами, в слабо цементированном мелкозернистом песчанике

Почему разрушение породы важно под землей

Глубоко под поверхностью тоннели и трассы для угледобычи и других проектов зависят от прочности окружающей породы. В некоторых районах северо‑западного Китая кровли рудников обрушивались, хотя стальные анкеры и крепления оставались целыми. Это исследование изучает скрытого виновника: сильно щелочную грунтовую воду, которая постепенно разъедает слабый тип песчаника, превращая когда‑то прочные своды в рыхлый щебень и создавая серьёзные риски для безопасности шахтёров и подземных инженеров.

Наружно крепкая, но хрупкая внутри

Исследователи сосредоточились на слабо цементированном мелкозернистом песчанике из угольной шахты Да’наньху №7 в Синьцзяне. Эта порода образовалась относительно недавно в геологическом смысле, поэтому зерна слабо склеены между собой. Над угольной пластом залегает водоносный горизонт с высокоминерализованной, щелочной водой, богатой солями. Когда выработки связывают водоносный горизонт с дорожкой в шахте, эта вода может просачиваться в кровлю и стенки из песчаника. Команда хотела выяснить, как разные водные условия — от деионизированной воды до сильно щелочных растворов — изменяют прочность породы и что это означает для долговременной устойчивости.

Тест замачивания образцов породы

В лаборатории цилиндрические керны сушили, а затем замачивали до 20 часов в растворах, моделирующих шахтные воды: деионизированной воде и солёных растворах с pH 7, 10 и 12. После замачивания образцы испытывали на сжатие, растяжение и сдвиг, измеряя такие параметры, как прочность на сжатие, жёсткость, сопротивление сдвигу и прочность на растяжение. Учёные также использовали рентгеновскую дифракцию для определения минерального состава, электронные микроскопы для изучения микротрещин и пор, а химические анализы — чтобы отслеживать миграцию ионов между породой и водой.

Как щелочная вода незаметно разрушает прочность

Результаты показывают, что прочность породы резко падает по мере увеличения времени замачивания и щелочности. Одноосная прочность на сжатие следует почти отрицательной экспоненциальной зависимости по времени: самый сильный спад происходит в первые несколько часов, особенно в сильно щелочных растворах, затем ослабление замедляется. Жёсткость породы (модуль упругости) и начальные характеристики сжатия демонстрируют аналогичную тенденцию: резкое раннее снижение с последующим выравниванием по мере того, как структура становится полностью повреждённой. Сцепление при сдвиге резко падает в первые четыре часа, тогда как угол внутреннего трения постепенно уменьшается со временем, сильнее при более высокой щёлочности. Прочность на растяжение особенно чувствительна; в солевых растворах она падает до нескольких процентов от исходного значения в течение нескольких часов и затем мало изменяется. По сравнению с плотными породами, такими как гранит или известняк, этот слабый песчаник разрушается гораздо сильнее и за значительно более короткое время воздействия.

Что происходит внутри породы

На минеральном уровне щелочная вода запускает цепочку химических и физических изменений. Зерна полевых шпат и слюды подвергаются гидролизу и ионному обмену, превращаясь в более мягкие глинистые минералы, такие как каолинит, в то время как часть кварца и полевых шпатов растворяется при сильной щелочной атаке. Химические анализы показывают рост концентраций алюминия и силикатных видов в воде, что подтверждает разложение твёрдых зерен. Эти реакции разрыхляют цемент, связывающий частицы, увеличивают пористость и делают породу более пластичной. Снимки в электронном микроскопе показывают, что в сухой породе трещины склонны проходить через зерна; после щелочной атаки трещины идут вдоль границ зерен, где цемент ослаблен. Порода переходит от компактного каркаса твёрдых минералов к более рыхлой структуре, изрытой порами и межзерновыми разломами.

Модель для прогнозирования повреждений до их возникновения

Чтобы превратить эти наблюдения в практичный инструмент, авторы построили математическую модель повреждения, связывающую химическую атаку с механической нагрузкой. Модель отслеживает, какая масса реакционноспособных минералов теряется по мере того, как гидроксид‑ионы в воде разрушают полевой шпат и другие компоненты, и комбинирует это «химическое повреждение» с повреждением, вызванным деформацией под нагрузкой. При сравнении предсказанных моделью кривых напряжение–деформация с лабораторными измерениями при разных pH соответствие было хорошим, особенно до достижения пикового разрушения. Это говорит о том, что проектировщики шахт могут использовать такую схему для оценки, какую долю прочности потеряет кровля из слабо цементированного песчаника после определённого воздействия щелочной воды, и проектировать системы крепления соответствующим образом.

Что это означает для более безопасных подземных пространств

Для неспециалистов ключевая мысль такова: порода не одинакова по надёжности, и химический состав воды важен не меньше, чем её объём. В слабо цементированном песчанике сильно щелочная шахтная вода может за несколько часов смыть минерал‑«клей», превращая прочную породу в хрупкую оболочку, склонную к внезапным обрушениям кровли. Уточняя, как и как быстро происходит это ослабление, и предлагая предиктивную модель, исследование даёт научную основу для ранней гидроизоляции, укрепления и контроля опасностей в шахтах и других подземных объектах, проходящих через уязвимые пласты.

Цитирование: Luo, T., Fan, G., Zhang, S. et al. Mechanical degradation induced by the alkaline water effects of weakly cemented fine-grained sandstone. Sci Rep 16, 9622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34061-9

Ключевые слова: щелочная грунтовая вода, слабый песчаник, ослабление горных пород, подземная добыча, взаимодействие вода–порода