5.5. Водоустойчивость и водопроницаемость

В результате взаимодействия горных пород с водой происходят различные процессы, характер, масштабы и интенсивность которых зависят от водных свойств пород. Среди них особо важное значение при оценке условий разработки месторождений имеют водоустойчивость и водопроницаемость.

Водоустойчивость горных пород определяется главным образом их составом и характером структурных связей, а также химическим составом воды. В скальных и полускальных породах при взаимодействии с водой происходит размягчение, которое приводит к снижению прочности. Особое значение этот процесс приобретает в осадочных породах. Принято оценивать водоустойчивость коэффициентом размягчаемости К_р, представляющим собой отношение прочности на одноосное сжатие водонасыщенного образца к прочности до водонасыщения. По значению этого коэффициента горные породы делятся на 4 категории: водоустойчивые (магматические), К_р > 0,9; пониженной водоустойчивости (известняки, песчаники) К_р = 0,7 - 0,9; средней водоустойчивости (песчаники на глинистом цементе, слабые известняки, алевролиты), К_р = 0,5 - 0,7; водонеустойчивые (мергели, аргиллиты, глинистые сланцы и др.) К_р < 0,5.

Для некоторых полускальных и в особенности глинистых пород при увлажнении характерно увеличение объема — набухание, которое достигает 30 и более процентов. Процесс набухания связан со способностью глинистых частиц активно сорбировать влагу своей поверхностью, поэтому величина набухания зависит от степени дисперсности и минерального состава породы. Особенно ярко выражено набухание в монтмориллонитовых глинистых породах. Однако оно может происходить только при определенном напряженном состоянии. Максимальное набухание наблюдается при полной разгрузке и называется свободным. При достижении его порода поглощает максимальное количество воды — влажность набухания. По относительной его величине _н, представляющей отношение приращения высоты образца ∆h при его увлажнении в условиях невозможности бокового расширения к его первоначальной высоте h₀ (_н = ∆h/ h₀*100) производят классификацию глинистых пород: ненабухающие - _н < 4%; слабонабухающие - _н = 4 - 8%; средненабухающие - _н = 8 - 16%; сильнонабухающие - _н > 16%.

Свободное набухание имеет место на поверхностях откосов, карьеров, выемок, котлованов, на стенках, почве и кровле подземных горных выработок, пройденных в глинистых породах или в породах на глинистом цементе. Если набухающий образец поместить в герметичную камеру так, чтобы он плотно прилегал к ее стенкам, и увлажнить его, то стенки камеры испытывают давление, называемое д а в л е н и е м н а б у х а н и я.

Процесс набухания характеризуется тремя основными показателями: величиной относительного набухания, влажностью набухания и давлением набухания. При решении задач по оценке устойчивости сооружений в глинистых породах с учетом их объемного напряженного состояния правильнее рассматривать объемное набухание, т. е. ∆V/V₀, где ∆V — приращение объема; V₀ — начальный объем. Степень разупрочнения породы в результате набухания имеет большое практическое значение при оценке и прогнозе устойчивости горных выработок.

При изучении набухания следует иметь в виду еще одну важную особенность, связанную с циклическим изменением влажностного режима пород в откосах и подземных выработках длительного срока службы. При высыхании происходит их усадка, которая сопровождается растрескиванием, расслоением, т. е. в конечном итоге приводит к уменьшению прочности. Последующее увлажнение приводит к более значительному набуханию и разупрочнению, чем то, которое имело место при увлажнении породы естественной влажности — плотности.

Некоторые глинистые породы обладают способностью к р а з м о к а н и ю в водной среде, которая приводит к потере их прочности.

Водопроницаемость горных пород характеризует их способность пропускать (фильтровать) воду через пустоты (поры, трещины, карстовые полости) под напором (рис.5.2). Более общим является понятие проницаемость, под которым понимают свойство горных пород пропускать через себя жидкости или газы под давлением.

Рис. 5.2. Схема к определению водопроницаемости песков

Показатель водопроницаемости — коэффициент фильтрации, который был предложен Ж. Дарси в 1856 г. в виде

Q = k Flt,

где Q — количество воды (м³), протекающее за промежуток времени t (сут) через сечение породы F (м²) при гидравлическом градиенте потока I = Н / l; Н - напор водного потока (м); l — длина пути фильтрации (м).

Наиболее распространено так называемое скоростное выражение коэффицента фильтрации k, см/с (м/сут): Q/ Ft = _ф = k I,

или при I = l k = _ф, где _ф — скорость фильтрации.

• Таким образом, коэффициент фильтрации горной породы представляет собой скорость фильтрации водного потока, содержащегося в этой породе при градиенте, равном единице.

• Коэффициент проницаемости К_п, м² представляет собой количество жидкости или газа Q в см³, проходящее через сечение F = 1 см² при перепаде давления р = 1 Па и длине пути фильтрации l = 1 см за время t = 1 с при вязкости флюида ν = 0,1 Па с и определяется по формуле

К_п = Q ν l / F t р

Между двумя коэффициентами существует следующая зависимость:

где ρ_ф — плотность флюида; k = 1 м/сут. соответствует примерно К_п =1*10^-6 м².

Ф.П. Саваренский предложил различать 3 группы пород по степени их водопроницаемости: а) водопроницаемые (трещиноватые и закарстованные скальные породы, обломочные породы) с k > 1 м/сут; б) полупроницаемые (глинистые пески и слаботрещиноватые слеганые породы) с k = 1-0,001 м/сут; в) водоупорные — практически водонепроницаемые (монолитные скальные породы, плотные глины, аргиллиты) с k <0,001 м/сут.

В гидрогеологических расчетах вместо коэффициента фильтрации применяют величину водопроводимости водоносного горизонта (водосодержащих пород), представляющую собой произведение km, где т - мощность горизонта. Но это уже не есть свойство, характеризующее водопроницаемость породы.

Характерные значения k приведены в таблице 5.3.

Коэффициент фильтрации некоторых пород

Таблица 5.3

Название пород	k, м/сут
Карстовые известняки (выветрелые) Сильнотрещиноватые скальные породы Слаботрещиноватые (тектоническая трещиноватость) скальные породы Галечник Крупные пески Мелкие пески (по В. Д. Ломтадзе) Песчанистая глина Глина	> 200 100 - 200 1 - 10 > 100 5 - 50 1 - 5 0,1 - 0,01 1 < 0,001