Лекция №4. Водно-физические свойства горных пород

1. Скважность, пористость, трещиноватость, гранулометрический состав.

2. Влажность, влагоемкость, водоотдача.

1. Горные породы могут рассматриваться как единая система: «вода – порода». Основные водные свойства пород (влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость и др.) зависят от пористости породы, гранулометрического состава, видов содержащейся в них воды. Одним из важных факторов, определяющих водные свойства пород, является их скважность.

Скважность – различные по происхождению, размерам и форме пустоты в горных породах (их совокупность называют пустотностью). Чем больше скважность, тем большее количество воды может вместить порода. Но для движения воды важна не только величина скважности, но и размер самих пустот. Чем меньше пустоты, тем больше площадь соприкосновения воды со стенками пустот и тем больше сопротивление породы движению воды. И, наоборот, чем крупнее пустоты, тем меньшее сопротивление испытывает вода при движении по ним. Скважность породы может определяться пористостью, трещиноватостью, закарстованностью, кавернозностью и их комбинациями.

Пористость – это свойство породы содержать разные, не заполненные твердой фазой объемы, отнесенные к объему высушенного до постоянного веса грунта. Выделяют первичные поры, возникающие при образовании горной породы, и вторичные (новые) поры и другие пустоты, образующиеся за счет процессов выветривания, растворения, кристаллизации, перекристаллизации, а также тектонических и биохимических процессов. Различают открытые и закрытые поры. Открытые – взаимосвязанные в пределах горной породы; закрытые – изолированные друг от друга. Сумма объемов открытых и закрытых пор составляет общую пористость.

Отношение объема пор к объему скелета породы составляет коэффициент пористости (ε), или приведенную пористость. Между пористостью (n) и приведенной пористостью (ε) существует зависимость:

и

Обычная величина пористости как отношение объема пор к объему породы всегда меньше 1. Приведенная пористость может быть равна 1 и более.

Общая пористость некоторых пород (n, %): песок 4-50%, песчаник 0,5-40%, глина 4-75%, аргиллит 1-30%, известняк 0,5-48%, мрамор 0,1-2,2 %, доломит 0,1-37%, гипс 1-37%, ангидрит 0,2-17%, каменная соль 0-5 %.

Трещиноватость может иметь различное происхождение в осадочных, магматических и метаморфических породах – это совокупность трещин в горных породах. Количественно выражается отношением объема трещин породы к общему объему породы. По происхождению выделяют трещины тектонические, отдельности, выветривания, усыхания, напластования, гравитационные и др.

Гранулометрический состав. Обычно в составе рыхлых пород различают несколько категорий частиц по размерам:

1. крупный обломочный материал (более 2 мм);

2. мелкий обломочный материал (2-0,02 мм);

3. грубые дисперсии (0,02-0,0001 мм);

4. коллоиды (0,0001-0,000001 мм).

Разделение породы по размерам зерен на отдельные фракции проводится при помощи гранулометрического анализа. Существует множество видов таких анализов. Наиболее крупные фракции разделяются при помощи ситовых наборов.

2. Величина общей пористости, размер пор, зависящий от гранулометрического состава, определяют важный расчетный параметр – влажность грунта. На практике используют естественную влажность – содержание воды в породах в естественных условиях; весовую влажность – отношение веса воды в горной породе к весу абсолютно сухой породы.

Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать некоторое количество воды. Различают породы влагоемкие (глины, суглинки, торфы), средневлагоемкие (супеси, мелко- и тонкозернистые пылеватые пески) и слабовлагоемкие и невлагоемкие (породы скальные, полускальные, галечники крупно-, среднезернистые пески).

С влагоемкостью тесно связано понятие о водоотдаче – способности насыщенной до полной влагоемкости породы отдавать часть воды путем свободного стекания под влиянием силы тяжести. Максимальной водоотдачей обладают галечники, глины же практически не способны отдавать воду без приложения к ней сдавливающих усилий, повышенной температуры. Различают гравитационную и упругую водоотдачу. Гравитационная водоотдача μ характеризует количество воды, которое отдает единица объема породы при стекании из нее гравитационной воды. Ее величина определяется отношением объема свободно стекающей воды к объему всей породы и выражается в долях единицы или %. Упругая водоотдача – способность водонасыщенных пород отдавать свободную воду за счет проявления их упругих свойств при изменении напора или давления. Недостаток насыщения – это способность горной породы принимать гравитационную воду в данных условиях ее залегания. Определяется по формуле:

,

где ω₀ – полная влагоемкость (максимальное содержание воды в горной породе при полном насыщении пор); Wg – весовая влажность.

Лекция №5. Виды воды в гидролитосфере

1. Виды воды. Связанные воды.

2. Свободные гравитационные воды.

3. Вода в форме льда и пара.

Тип	Класс	Вид	Особые формы
1. Связанная 2. Свободная	1.1. Химически связанная 1.2. Физически связанная 2.1. Капиллярная 2.2. Капельно-жидкая свободная гравитационная	1.1.1. Конституционная 1.1.2. Кристаллизационная 1.1.3. Цеолитная 1.2.1. Прочно связанная 1.2.2. Рыхло связанная 2.1.1. Вода «углов пор» 2.1.2. Капиллярно-подвешанная 2.1.3. Капиллярной каймы 2.2.1. Поровая 2.2.2. Трещинная 2.2.3. Карстовая	1.1.4. Межплоскостная в минералах с раздвижным типом решетки 1.1.5. Газово-жидкие включения в минералах 2.1.4. Внутриагрегатная капиллярно-подвешанная 2.1.5. Сорбционно-замкнутая
3. Вода в форме льда
4. Вода в форме пара

1. Связанная вода – вода, находящаяся в связанном виде внутри минералов (химически связанная) или на поверхности грунтовых частиц в горных породах (физически связанная). Она не передает гидростатического давления. Ее нельзя извлечь водозаборными сооружениями.

Конституционная вода находится в минералах типа каолинита (KH₂Al₂Si₂O₈) в виде ионов H⁺ и OH^-. Она наиболее прочно связана с решеткой минералов. Температура максимального ее отделения свыше 400ºС. При отделении воды молекула минерала полностью разрушается.

Кристаллизационная вода выделяется в минералах типа гипса (CaSO₄×2H₂O). Соотношение водных и неводных молекул постоянное. Температура отделение свыше 300 ºС. После отделения остается безводное соединение, имеющее более компактную кристаллическую решетку (например, гипс переходит в ангидрит).

Цеолитная вода содержится в минералах типа опала (SiO₂×nH₂O) в виде непостоянного количества молекул. Отделяется при температуре свыше 60-80 ºС. При отделении воды свойства минералов мало меняются.

В качестве особых форм воды в составе минералов выделены две разности: межплоскостная вода – в минералах с раздвижным типом решетки. При удалении воды под давлением или при высоких температурах решетка минерала сжимается, при гидратации – расширяется; газово-жидкие включения в кристаллах представляют собой захваченную при росте кристалла жидкость, при освобождении жидкость ведет себя как обычная капельно-жидкая вода.

Физически связанная вода. Водяной пар при конденсации адсорбируется на поверхности частиц грунта, вода удерживается в виде тонких пленок на грунтовых частицах под влиянием сил непосредственного взаимодействия молекул воды с поверхностью грунтовых частиц.

Прочно связанная вода – образует пленку толщиной 1-20 молекул, давление внутри таких оболочек достигает 10 000 атм., что обуславливает близость этой воды по свойствам к твердому телу. Перемещается только в виде пара, отделяясь от грунта при температуре свыше 100 ºС.

Рыхло связанная вода – располагается за слоем прочно связанной воды вокруг грунтовых частиц, он может включать до 100 молекул воды. Такая вода удерживается молекулярными силами, значительно превышающими силу тяжести.