淤泥尾矿水长期浸泡下砂岩的力学性质与微观损伤

为何矿井渗漏水值得重视

在全球范围内，矿业公司将大量细碎岩石废料（称为尾矿）储存在土坝后形成的尾矿池中。表面看似平静的这些水体，含有残留化学物质和溶解的金属。当这些水渗入附近岩体时，可能会逐步削弱坝体和周边斜坡的基础，增加坍塌风险。本研究提出了一个简明但至关重要的问题：砂岩这种常见岩石在尾矿水中长时间浸泡数月会发生什么变化？

岩石如何接受考验

研究人员采集了来自中国鞍山一处储存设施的尾矿水。该水体呈弱碱性，富含钾、钠、钙和铝等溶解离子——这些成分已知会与岩石中的矿物发生反应。随后，他们制备了标准的砂岩圆柱试样，并将若干组样品在该水中浸泡最长达六个月，同时保留对照干燥样品。研究团队在定期间隔测量了声波在岩石中的传播速度、岩石在压缩下的变形与破坏特性，以及利用核磁共振（NMR）观察其内部孔隙和微裂缝的演化——NMR 能“看到”固体内部充水空间的变化。

从致密岩体到海绵状石块

NMR 扫描显示，尾矿水逐渐重塑砂岩的内部结构。最初，岩石以很小的微孔为主。随着浸泡时间延长，这些微孔扩大为中等乃至更大孔隙，原本孤立的空隙开始相互连通。六个月后，总孔隙率显著增加，损伤从表层向芯部蔓延，呈现“快速增长—随后减缓—最终趋于稳定”的模式。水并非通过打开明显的大裂缝来破坏岩石，而是悄然将其转变为孔隙更多、连通性更好的微空隙网络，松动颗粒之间的接触，使石材刚度降低、变形性增加。

无声断裂与变软的强度

力学试验表明，这种内部结构的重塑对强度有严重影响。随着浸泡时间延长，砂岩的应力—应变曲线趋于平缓，表明材料变得更软，在最终失效前有更长的压缩阶段。经过六个月，岩石的刚度（弹性模量）和极限承载能力（抗压强度）约下降三分之一，且最剧烈的下降发生在第一个至第三个月。同时，声发射传感器（可视为检测内部微裂缝的“麦克风”）在长时间浸泡样品中记录到的信号明显更少且更弱。干燥岩石破坏时通常瞬间且发出大量能量释放，出现脆性裂缝迅速蔓延；而被水弱化的岩石破坏则更为无声，颗粒之间以滑移和剪切的方式相互错动，呈现更具塑性的、非爆发性的破坏形态。

将化学反应、裂缝与计算模型联系起来

作者将这种行为归因于碱性尾矿水与砂岩中长石矿物之间的化学反应。随着时间推移，长石颗粒溶解并转化为类粘土产物，溶解的离子迁移并可能重新沉淀在颗粒表面形成新的涂层。这些变化削弱了颗粒间的“胶结”作用，并改变了应力在岩体中的传递路径。通过基于颗粒的数值模型，研究团队再现了这些效应：载荷传递的力链在浸泡砂岩中变得更集中且更不均匀，微观裂缝数量尤其是与剪切相关的裂缝增加。基于声发射的损伤模型进一步表明，损伤在早期快速增长然后趋于平稳，这与化学反应随系统趋于平衡而放缓的过程相呼应。

对尾矿坝的意义

对普通读者而言，结论是：尾矿水像一种缓慢而无声的腐蚀剂作用于砂岩。它将一种坚硬而脆性的岩石转变为更软、更具裂隙的材料，使其在半年的时间内强度下降超过三分之一，并改变其破坏方式。由于这种弱化在初期发展迅速然后趋于稳定，暴露的早期岁月对坝体安全尤为关键。通过将孔隙增长、化学反应、断裂声与数值模拟联系起来，研究为工程师提供了估算尾矿池周围岩体退化速度的工具——并将这种随时间变化的强度损失纳入尾矿坝及邻近斜坡的设计、监测与长期风险评估中。

引用: 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

关键词: 尾矿坝, 砂岩弱化, 水–岩相互作用, 矿山废弃物, 岩体稳定性