Механические свойства и микроскопические повреждения песчаника при длительном погружении в воду из хвостохранилищ

Почему протечка шахтной воды важна

По всему миру горные компании накапливают огромные объемы тонкоизмельченных породных отходов — хвостов — за земляными дамбами. На поверхности эти пруды кажутся спокойными, но вода в них содержит остаточные химикаты и растворенные металлы. Когда такая вода просачивается в соседние породы, она может постепенно ослаблять основания дамб и прилегающие откосы, повышая риск обрушения. В этом исследовании поставлен простой, но критический вопрос: что происходит с обычной породой, песчаником, если она месяцами пребывает в воде из хвостохранилища?

Как испытывали породу

Исследователи взяли воду из хвостохранилища на объекте в Аншане, Китай. Вода была слабощелочной и богата растворенными ионами, такими как калий, натрий, кальций и алюминий — компонентами, которые взаимодействуют с минералами в породе. Затем они приготовили стандартные цилиндры из песчаника и погрузили наборы образцов в эту воду на срок до шести месяцев, в то время как другие образцы держали в сухом состоянии для сравнения. Периодически команда измеряла скорость распространения звуковых волн через породу, её деформируемость и прочность при сжатии, а также эволюцию пористости и микротрещин с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — метода, позволяющего «увидеть» заполненные водой пространства внутри твердых тел.

От плотной породы до губчатого камня

Сканы ЯМР показали, что вода из хвостов постепенно меняет внутреннюю структуру песчаника. Сначала порода доминирует очень мелкими порами. По мере увеличения времени пребывания эти микропоры расширяются до средних, затем больших пор, и ранее изолированные пространства начинают соединяться. Через шесть месяцев общая пористость заметно увеличивается, а повреждение распространяется от наружной поверхности к ядру по схеме «быстрый рост — затем замедление — затем стабилизация». Вместо возникновения крупных видимых трещин вода тихо превращает породу в более пористую, лучше связанную сеть крошечных полостей, ослабляя контакты между зернами и делая камень менее жестким и более деформируемым.

Тихие разрушения и более мягкая прочность

Механические испытания показали, что эта внутренняя перестройка имеет серьезные последствия для прочности. По мере увеличения времени погружения кривые «напряжение—деформация» песчаника становятся более пологими, что указывает на более мягкий материал с более продолжительной стадией уплотнения перед окончательным разрушением. И жёсткость породы (модуль упругости), и её максимальная несущая способность (прочность на сжатие) снижаются примерно на треть через шесть месяцев, при этом наибольшее падение происходит в первые один — три месяца. В то же время датчики акустической эмиссии — по сути микрофоны для крошечных внутренних трещин — регистрируют значительно меньше и слабее сигналов в долго выдержанных образцах. Сухие породы разрушаются внезапно и шумно, выпуская всплески энергии при хрупком распространении трещин. Влажнослабленные породы разрушаются более тихо: зерна скользят и сдвигаются друг относительно друга в более пластичной, менее взрывной манере.

Связь химии, трещин и компьютерных моделей

Авторы связывают это поведение с химическими реакциями между щелочной водой из хвостов и полевыми шпарами в песчанике. Со временем зерна полевого шпата растворяются и превращаются в глинистые продукты, а растворенные ионы мигрируют и могут даже повторно осаждаться в виде новых покрытий на поверхностях зерен. Эти изменения ослабляют «клей» между зернами и перенаправляют пути передачи напряжений через породу. С помощью частичной компьютерной модели команда воспроизвела эти эффекты: силовые цепочки — невидимые пути, по которым передаются нагрузки — становятся более сконцентрированными и неравномерными в погруженном песчанике, а число микротрещин, особенно сдвиговых, увеличивается. Модель повреждений на основе акустической эмиссии дополнительно показала, что повреждение быстро нарастает на ранней стадии и затем выравнивается, отражая замедление химических реакций по мере приближения системы к равновесию.

Что это значит для дамб хвостохранилищ

Для непрофессионального читателя главный вывод таков: вода из хвостов действует как медленно действующий, бесшумный коррозионный агент для песчаника. Она превращает прочную, хрупкую породу в более мягкий и трещиноватый материал, снижая её прочность более чем на треть за полгода и изменяя характер разрушения. Поскольку это ослабление развивается быстро сначала, а затем стабилизируется, ранние годы воздействия могут быть особенно критическими для безопасности дамб. Объединив данные о росте пористости, химических реакциях, звуках разрушения и компьютерных симуляциях, исследование даёт инженерам инструменты для оценки скорости деградации пород вокруг пруда с хвостами — и для учёта этого зависящего от времени снижения прочности при проектировании, мониторинге и долгосрочной оценке рисков дамб и прилегающих откосов.

Цитирование: Li, M., Yang, B., Hu, J. et al. Mechanical properties and microscopic damage of sandstone under prolonged tailings water immersion. Sci Rep 16, 5789 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36413-5

Ключевые слова: дамбы хвостохранилищ, ослабление песчаника, взаимодействие вода–порода, горные отходы, устойчивость пород