碱性水作用诱发的弱胶结细粒砂岩机械退化

地下岩体风化为什么重要

在地表深处，煤矿和其它工程的巷道与巷道通行依赖周围岩体的强度。在中国西北的一些地区，尽管钢锚杆和支护保持完好，矿顶仍发生坍塌。本文研究揭示了一个隐蔽的元凶：极碱性的地下水，它缓慢侵蚀一种弱胶结的砂岩，使曾经坚固的顶板变成松散的碎屑，给矿工和地下工程人员带来严重的安全风险。

外表温和、内部脆弱的岩石

研究者将注意力集中在新疆大南湖7号煤矿的弱胶结细粒砂岩上。这种岩石在地质上形成较晚，颗粒之间只是松散地粘结在一起。煤层之上存在含盐量高、碱性强的含水层。当采掘造成的裂隙将含水层与巷道相连时，这些水就会渗入砂岩的顶板和边墙。研究团队旨在弄清从纯水到强碱溶液的不同水化学条件如何改变岩石的强度，以及这些变化对长期稳定性的意义。

将岩样置于浸泡试验中

在实验室中，圆柱形岩心先被烘干，然后在代表矿水的溶液中浸泡最长20小时：去离子水以及经调节至pH 7、10、12的含盐水。浸泡后，样品在力学试验中被施加压缩、拉伸和剪切，以测量单轴抗压强度、刚度、抗剪强度和抗拉强度等性能。科学家还使用X射线衍射确定矿物组成，用电子显微镜检查微裂缝与孔隙，并通过化学检测监测离子在岩石与水之间的迁移。

碱性水如何悄然削弱强度

结果表明，随着浸泡时间和碱性增大，岩石强度迅速下降。单轴抗压强度随时间呈近似负指数衰减：最强的下降发生在最初几小时，尤其在高碱性水中，然后弱化速率逐渐放缓。岩石的刚度（弹性模量）和初始压缩行为呈现类似趋势：早期急剧下降，随后随着结构被彻底破坏而逐步趋稳。黏聚力在前四小时内急剧降低，而内摩擦角则随时间稳步减小，强碱条件下更为明显。抗拉强度尤其敏感；在含盐溶液中，其在数小时内坍缩到原始值的仅几百分点，此后变化不大。与花岗岩或石灰石等致密常见岩石相比，这种弱砂岩在更短的暴露时间内表现出更严重的退化。

岩石内部发生了什么

在矿物层面，碱性水触发了一系列化学和物理变化。长石和云母颗粒发生水解与离子交换，转化为更软的黏土矿物（如高岭土），部分石英和长石在强碱作用下溶解。化学分析显示水中铝和硅酸盐浓度上升，证实固体颗粒正在被分解。这些反应松动了粘结颗粒的胶结物，增加了孔隙度，并使岩体更具可塑性。电子显微镜图像显示，干燥岩石中的裂缝倾向于穿过颗粒；在碱性侵蚀后，裂缝转而沿颗粒边界蔓延，那里的胶结物已被削弱。岩体由由硬质矿物构成的紧密骨架转变为布满孔洞和颗粒间裂隙的松散框架。

用于预测损伤的模型

为将这些观察转化为实用工具，作者构建了一个将化学侵蚀与力学加载耦合的数学损伤模型。模型跟踪当水中氢氧根离子侵蚀长石等组分时反应性矿物质量的损失，并将这种“化学损伤”与应力引起的应变损伤相结合。当他们将模型预测的应力—应变曲线与不同pH条件下的实验测量值比较时，二者契合良好，尤其在峰值破坏之前。这表明矿山规划者可以利用该框架估算弱砂岩顶板在一定碱性水暴露后会损失多少强度，并据此设计支护体系。

对更安全地下空间的启示

对非专业读者而言，关键是并非所有岩石都同样可靠，水的化学性质与水量一样重要。在弱胶结砂岩中，强碱性矿水可在数小时内剥离矿物间的“胶水”，将坚固岩体变为易于发生突发顶板垮塌的脆壳。通过阐明这种软化如何以及多快发生，并提供可预测的模型，该研究为在通过此类脆弱地层的矿井和其他地下工程中提前防水、加固与风险控制提供了科学依据。

引用: 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

关键词: 碱性地下水, 弱砂岩, 岩石软化, 地下采矿, 水—岩相互作用