电化学技术加固露天煤矿弱夹层软岩边坡的现场应用与微观加固机制

《Frontiers in Earth Science》：Field application and microscopic reinforcement mechanism of electrochemical technology for weak interlayer soft rock slopes in open-pit coal mines

　　

摘要

引言：露天煤矿中含有软弱泥岩夹层的软岩边坡极易发生沉陷-滑动破坏。这些弱夹层具有低渗透性和较差的力学性质，严重威胁露天开采安全。传统的加固方法（包括锚杆支护和水泥注浆）存在渗透能力弱、施工成本高等问题，无法实现对深部弱夹层的针对性加固。为解决这一地质灾害问题，研究人员提出了一种适用于露天矿低渗透性软岩边坡的优化电化学加固方法，结合现场试验、实时电学监测、数值模拟和多尺度微观测试。

方法：以内蒙古东部某露天煤矿含泥岩弱夹层的软岩边坡为研究对象，采用优化的电极布置和匹配的化学浆液配比，对弱夹层开展电化学加固试验。通过实时监测记录加固过程中电学参数的演化规律。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征加固前后岩体的矿物相转变和微观结构变化。

结果：注浆阶段平均电流从200 A上升至500 A。电流增长由三种耦合因素共同控制：富离子浆液改善地层导电性、电渗排水压密减小孔隙通道并提升电流密度、持续电化学水化反应释放导电离子，而非单纯电解质浓度增加。加固后岩石粘聚力提高1.22–1.51倍，内摩擦角增大1.29–1.54倍。微观观察证实生成了钙矾石(AFt)、水榴石(AFm)和絮状Al-Si-P凝胶，填充内部孔隙并形成稳定胶结骨架。数值模拟表明边坡安全系数从1.15提升至1.32，消除了潜在滑动失稳风险。

讨论：电化学加固依赖于两个协同阶段：电渗排水固结和电化学胶结。该技术为露天矿含弱夹层软岩边坡提供了有效控制方案，拓展了电化学加固在矿山地质灾害防治中的应用范围，为类似边坡治理工程提供了理论和工程参考。

论文解读：电化学技术加固露天煤矿弱夹层软岩边坡的现场应用与微观机制研究

一、研究背景与科学问题

露天煤矿软岩边坡稳定性受软岩固有特性、不利地质条件及弱夹层发育的共同控制，极易发生沿弱夹层的沉陷-滑动渐进式破坏。研究区位于内蒙古东部某大型露天煤矿，边坡地层以白垩系下统白音华组(K₁d)的细砂岩、粉砂岩、泥岩及碳质泥岩为主，泥岩单轴抗压强度(UCS)仅为3.08 MPa，弱夹层UCS更低至0.9 MPa，均符合国际岩石力学学会(ISRM)关于软岩的定义标准（UCS介于0.5–25 MPa）。现场高密度电法勘探显示，边坡570–670 m段存在明显低阻异常（电阻率12–25 Ω·m），推断为泥岩和弱夹层内裂缝发育、孔隙率较高所致，该区域恰为边坡变形最严重区段。数值模拟（有限元强度折减法）进一步证实，原始边坡安全系数仅1.15，最大位移达3.23 m，呈典型"后缘沉陷+前缘水平挤出"的"沉陷-滑动"渐进破坏模式。

传统加固方法（锚杆支护、水泥注浆）面临渗透能力弱、施工成本高、无法实现深部弱夹层针对性加固等技术瓶颈。电化学加固技术将电渗排水与化学注浆相结合，通过直流(DC)电场驱动孔隙水定向迁移和浆液离子电迁移扩散，触发水化及火山灰反应生成胶结矿物，能够实现低渗透性致密软岩的快速排水固结和定向增强。然而，现有研究存在三方面不足：一是缺乏矿山边坡的针对性工程案例，现有现场应用多集中于高含水率软粘土基坑；二是忽略了寒区温度对电渗离子迁移和电化学反应动力学的影响；三是多尺度定量机制体系不完整，缺乏矿物组成、孔隙结构演化与宏观力学强度之间的定量关联。

二、研究内容与技术方法

针对上述科学问题，研究人员在内蒙古东部露天煤矿选取典型软岩边坡作为研究对象，开展了系统的现场电化学加固试验。研究采用优化的六边形电极布置方案（1中心阳极+6周围阴极，电极间距4 m，埋深24 m），匹配多组分化学浆液（10%磷酸三钠溶液、30%–35%氯化钙溶液、25%聚合氯化铝溶液和30%硅酸钠溶液），实施"电渗排水+化学注浆"两阶段加固。全过程实时监测电流、电压演化，累计处理时间220 h。加固前后钻孔取芯，开展室内直剪试验（GB/T 50266–2013）、XRD物相分析（SY/T 5163–2018）和SEM微观表征（SY/T 5162–2021）。

研究采用的关键技术方法包括：（1）高密度电法勘探确定加固靶区空间范围与深度边界；（2）有限元强度折减法数值模拟（Midas GTS/NX软件，Mohr-Coulomb本构模型）评估边坡稳定性；（3）六边形优化电极阵列布置实现均匀电场分布；（4）实时电学参数监测（电流、电压、累计能耗）；（5）多尺度室内分析（直剪试验、XRD、SEM-EDS联合表征）。样本来源于现场加固前后不同深度钻孔岩芯，每组样品平行测试3次，数据离散度小于8%。

三、主要研究结果

（一）原始地质特征与边坡失稳数值分析

数值模拟结果表明，原始边坡处于临界平衡-不稳定状态，安全系数仅1.15（Bishop极限平衡法计算结果为1.13，误差小于2%，验证了数值模型的可靠性）。边坡最大总位移达3.23 m，集中于坡顶及中下段滑动区，沿弱泥岩夹层形成明显弧形滑动带。水平滑动位移最大3.05 m，坡顶垂直沉降位移达2.81 m，呈典型"上沉下挤"位移分布特征，证实弱夹层对边坡失稳起主导控制作用。

（二）加固过程中电学参数响应规律

电流变化过程可分为两个典型阶段：电渗排水阶段（0–50 h）电流稳定在约200 A，反映软岩内孔隙水在电场作用下定向迁移，地层导电性稳定；化学注浆阶段电流快速上升至平均500 A（峰值超650 A），表明大量导电离子在弱夹层中迁移扩散，电化学反应充分激活；加固后期电流逐渐降低并趋于稳定，说明水化和火山灰反应基本完成，胶结产物趋于稳定。全过程累计能耗7966 kW·h，单位体积加固岩体能耗约8.0 kW·h/m3，每10 kPa粘聚力增量对应能耗约2.7 kW·h/m3。

（三）宏观力学强度变化规律

直剪试验结果显示，电化学处理后各加固深度软岩抗剪强度指标均显著提升：粘聚力提高1.22–1.51倍，内摩擦角增大1.29–1.54倍。电极单元中部区域强度提升效果最显著，整体强度提升均匀，无明显弱加固区，证明优化六边形电极布置实现了弱夹层的全覆盖均匀加固。进一步相关性分析表明，粘土矿物含量从加固前45.4%降至加固后27.8%，粘聚力从29.5 kPa增至104 kPa，内摩擦角从7.07°增至34.57°，二者呈显著负相关（粘聚力与粘土矿物含量R2=0.9989，内摩擦角与粘土矿物含量R2=0.99997），直接证实粘土矿物消耗和胶结矿物生成是宏观强度提升的本质原因。

（四）XRD矿物转变特征

XRD测试表明，原始软岩主要由石英、白云母、蒙脱石和伊利石组成，高含量亲水性蒙脱石和伊利石是弱夹层遇水软化、低强度及流变失稳的本质原因。电化学加固后光谱出现新衍射峰，证实生成钙矾石(AFt)和水榴石(AFm)等新胶结矿物，在阳极区、阴极区及极间区广泛分布。半定量分析显示，加固后蒙脱石相对含量降低约18.2%，AFt与AFm总相对含量占矿物总量的约12.7%。蒙脱石衍射峰强度显著降低，表明原亲水性粘土矿物参与电化学水化和火山灰反应，转化为稳定胶结组分。

（五）岩体微观结构演化特征

SEM观察显示，原始弱夹层岩体呈松散颗粒堆叠结构，内部孔隙和微裂缝发育，颗粒间胶结力极弱。加固后岩体微观孔隙结构和颗粒胶结状态全面改善，大量絮状和凝胶状Al-Si-P胶结化合物新生并均匀填充于原孔隙和微裂缝中，紧密包裹分散的矿物颗粒，构建致密连续稳定的三维网络胶结骨架。能谱分析证实加固区胶结功能元素富集，验证了电化学胶结反应的充分发生。微观结构致密化与宏观力学强度提升高度对应，建立了可靠的多尺度加固响应规律。

（六）边坡整体稳定性提升效果

将加固后力学参数代入数值模型重新计算，边坡位移显著减小，原沿弱夹层的连续弧形滑动带完全消失，整体变形趋势得到有效抑制。边坡安全系数从1.15提升至1.32，满足露天矿边坡长期安全运营标准。该稳定性提升是电渗排水压密、矿物相转变和微观结构致密化的综合体现。

四、讨论与结论

电化学加固机制依赖于两个协同阶段：电渗排水固结和电化学胶结。初始电渗排水阶段通过直流电场驱动孔隙水从阳极向阴极定向迁移，降低富水弱夹层含水率，压密松散岩体，增加颗粒间有效应力；化学注浆阶段，定制浆液在电迁移作用下快速扩散，充分渗透弱夹层并与原粘土矿物反应，生成高强度胶结矿物，填充孔隙和微裂缝，将分散颗粒粘结为连续稳定整体。半定量结果中蒙脱石含量降低18.2%和胶结矿物生成12.7%，与宏观尺度粘聚力提升1.22–1.51倍及内摩擦角提升1.29–1.54倍高度对应，微观演化与宏观效果的趋势一致性巩固了加固机制的多尺度证据链。

从工程经济性角度，电化学加固综合成本较常规注浆方案可降低约20%–30%。相较于传统锚杆支护和水泥注浆，电化学加固依靠电场导向实现弱区针对性处理，对坡体扰动小、施工效率高、适应复杂地质条件能力强。需要指出的是，本研究未设置平行未处理对照区或线性电极布置对比组，六边形布置相对传统线性布置在电场均匀性和加固效率方面的优势已有前期室内试验和理论研究的广泛验证。

研究存在以下局限性：冬季负温条件下电渗排水效率和离子迁移速率将显著降低，低温和冻融循环适应性仍需专项试验验证；水泥胶结产物（钙矾石、Al-Si-P凝胶）在干湿循环和地下水化学侵蚀作用下可能逐渐溶解劣化，长期耐久性需持续原位监测验证；不同岩性软岩的适应性需进一步室内和现场试验确认；大面积工程推广中电极组串并联模式、整体能耗控制和大面积加固均匀性仍需优化。

总之，本研究在典型露天煤矿完成了电化学加固技术用于弱夹层软岩边坡的首例现场应用与机制验证，研究成果拓展了电化学技术在矿山地质灾害防治中的应用范围，为传统方法失效的弱夹层软岩边坡稳定处理提供了实用技术替代方案，并为露天矿岩土工程中电化学加固技术的推广应用提供了可靠的理论与工程参考。