Вопрос №15. Инженерно-геологические особенности горных пород.

Горные породы, природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин «Горные породы» впервые в современном смысле употребил (1798) русский минералог и химик В. М. Севергин.    Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в Горных породах определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц Горных пород обусловливают её структуру и текстуру.   По происхождению Горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические Горные породы слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.   Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы. В глубоких частях земной коры магма охлаждается медленно, хорошо раскристаллизовывается, и из неё формируются кристаллические зернистые породы, называемые интрузивными (граниты, сиениты, диориты и др.). Эти породы залегают в земной коре в виде батолитов, штоков, лакколитов и др. тел. Магма, излившаяся на земную поверхность в виде лавы вулканов, остывает быстро (часть её может не раскристаллизоваться, а затвердеть в виде вулканического стекла), образуя эффузивные, или излившиеся, Горные породы (базальты, андезиты, липариты и др.), а также вулканические туфы, представляющие собой сцементированные твёрдые продукты вулканических извержений (пепел, лапилли, вулканические бомбы и др.). Эффузивные породы часто залегают в виде лавовых потоков и покровов. Главными породообразующими минералами магматических Горных пород являются алюмосиликаты и силикаты (полевые шпаты, кварц, слюда и др.).   Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) - грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы - дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы - продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли), при участии организмов (например, кремнистые породы), накопления органических вещества (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки). Промежуточное положение между осадочными и вулканическими породами занимает группа эффузивно-осадочных пород. Между основными группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. Характерной особенностью осадочных Горных пород, связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных пластов.   Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы, а также воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактный метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма - высокие температуры и давления. Для регионально метаморфизованных горных пород характерны сланцеватость, наличие ряда специфических минералов (кордиерит, андалузит, кианит и др.), а также структуры, иногда сохраняющие следы структур исходных пород (так называемые реликтовые структуры). Типичными метаморфическими горными породами являются разные по составу кристаллические сланцы, контактовые роговики, скарны, гнейсы, амфиболиты, мигматиты и др. Различие в происхождении и как следствие этого, в минеральном составе горных пород резко сказывается на их химическом составе и физических свойствах.   Химический состав магматических горных пород, сложенных главным образом силикатными минералами, характеризуется большим богатством кремнёвой кислоты. По содержанию SiO₂ магматические горные породы делятся на кислые (свыше 65%), средние (55-65%) и основные (менее 55%). Кроме того, выделяются более редкие, очень богатые SiO₂, ультракислые породы (некоторые аплиты) и ультраосновные, содержащие менее 45% SiO₂ и очень много окиси магния. Породы, богатые щелочными металлами, выделяют под названием щелочных. Породы, различающиеся по содержанию главных элементов, отличаются и по содержанию элементов-примесей. Так, к кислым породам приурочены повышенные концентрации Be, W, Sn, Pb, Zn, Cu, Au и др., а к основным - Ni, Cr, Pt. К щелочным породам часто приурочены большие концентрации фосфора. Помимо общей распространённости различных элементов, наблюдается специфическая приуроченность отдельных элементов и рудных месторождений к породам какого-либо региона (так называемая металлогеническая специфика интрузивов). Химический состав осадочных горных пород отличается от пород магматических гораздо большей дифференцированностью, широким диапазоном колебаний в содержании породообразующих компонентов [напр., SiO₂ изменяется от 0 (соли) до 100% (чистые кварцевые пески), CaO - от долей процента (чистые каолиновые глины) до 56% (известняки) и т. п.] повышенным содержанием воды, углекислоты, органического углерода,«избыточных летучих» (S, Cl, В и др.), а также высокими отношениями окисного железа к закисному. Метаморфические горные породы по составу близки к материнским осадочным или магматическим, хотя в них, в процессе перекристаллизации или метасоматоза, могут концентрироваться многие рудные элементы, создавая рудные месторождения.   Как физическое тело, горные породы характеризуется группой базисных свойств, в которую входят плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства. Ниже приведены наиболее вероятные пределы изменения базисных свойств горных пород:   Пористость                                                                            до 60%   Плотность                                                                              800-8000 кг/м³   Модуль Юнга                                                                         10-200 Гн/м²   Коэффициент Пуассона                                                         0,07-0,38   Предел прочности на сжатие                                     до 500 Мн/м²    Предел прочности на растяжение                                         до 20 Мн/м²   Удельная теплопроводность                                                 0,1-10 вт/(м•К)   Коэффициент линейного расширения                                   1×10^-6¾9×10^-5 1/°C   Удельное электрическое сопротивление                              10^-3-10¹⁴ ом×м   Относительная диэлектрическая проницаемость                  2-30   Относительная магнитная проницаемость                              0,9998-4   Свойства горных пород обусловлены их минеральным составом и строением, а также внешними условиями. Важными параметрами, определяющими свойства горных пород, являются её пористость и трещиноватость. Поры могут быть частично заполнены жидкостью, поэтому свойства горных пород зависят одновременно от свойств твёрдой, газообразной и жидкой фаз и их взаимного соотношения. Пористость и трещиноватость особенно важны при оценке горных пород как коллекторов нефти и воды, а также скорости их притекания к источнику, буровой скважине и т. д. Ею же определяются влаго- и газоёмкость горных пород и их водо- и, газопроницаемость. В магматических горных породах количество газовых пустот может достигать 60-80% (пемзы и пемзовые туфы). В осадочных горных породах поры создаются в момент осадкообразования (межзерновые поры) и могут закрываться или сохраняться при цементации. Большое количество пор возникает при накоплении пористых зёрен (раковины радиолярий и диатомовых). Метаморфические горные породы обычно бедны порами и имеют только трещины, вызываемые охлаждением .   С пористостью и минеральным составом тесно связана плотность горных пород, которая в породах, лишённых пористости, определяется слагающими их минералами. Рудные минералы имеют высокую плотность (до 5000 кг/м³ у пирита и 7570 кг/м³ у галенита); меньшая плотность характерна для минералов осадочных пород (например, каменная соль имеет плотность 2100 кг/м³). Плотность горных пород из-за пористости может сильно отличаться от плотности слагающих её минералов. Так, пемзовые туфы Армении имеют плотность около 800-900 кг/м³, граниты, мраморы, плотные известняки и песчаники - около 2600 кг/м³. Плотность горных пород легко рассчитывается по минеральному составу и пористости; возможны и очень полезны обратные расчёты.   Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения и др. определяются в первую очередь минеральным составом, прочностные же и упругие свойства горных пород, их теплопроводность и электропроводность зависят главным образом от строения пород и особенно сил связей между зёрнами. Так, наличие преимущественной ориентировки зёрен приводит к анизотропии свойств. В создании анизотропии свойств может участвовать также ориентированная трещиноватость.   Свойства горных пород, определённые вдоль и поперёк слоистости или прожилковатости, как правило, отличаются друг от друга. При этом модуль Юнга, предел прочности на растяжение, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемости больше вдоль слоистости, а предел прочности на сжатие - поперёк слоистости. У мелкозернистых горных пород прочностные свойства выше, а у крупнозернистых ниже. Особенно высокие значения предела прочности на сжатие имеют мелкозернистые породы с волокнистым строением (например, нефрит до 500 Мн/м²). Низкий предел прочности на сжатие имеют многие осадочные породы (каменная соль, гипс и др.). Упругие свойства пород определяют их акустические (скорость распространения, коэффициент преломления, отражения и поглощения упругих волн) и электромагнитные свойства (соответственно скорости распространения, коэффициент поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн). Горные породы, как правило, плохие проводники тепла, причём с повышением пористости их теплопроводность ухудшается. Большей теплопроводностью обладают породы, содержащие полупроводники, - графит, железные и полиметаллические руды и т. д. По электропроводности большинство горных пород относится к диэлектрикам и полупроводникам. Магнитные свойства горных пород в первую очередь определяются присутствующими в них ферромагнитными минералами (магнетит, титаномагнетит, гематит, пирротин).   Свойства горных пород зависят также от воздействия механического. (давление), теплового (температура), электрического, магнитного, радиационного (напряжённости) и вещественного (насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей. При насыщении скальных пород водой увеличиваются упругие параметры, теплопроводность, теплоёмкость, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость; при насыщении водой легко растворимых минералов (галоидные соединения), а также глинистых пород их упругие и прочностные показатели уменьшаются. Изменение свойств пород под воздействием давления вызвано уплотнением пород, смятием пор, увеличением площади контакта зёрен. С увеличением давления обычно возрастают электропроводность, теплопроводность, прочность и т. д. Повышение температуры снижает упругие и прочностные и усиливает пластические характеристики пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает теплоёмкость, электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или к уменьшению упругих и прочностных свойств пород в зависимости от направления результирующих напряжений. Перестройка кристаллической решётки минералов от нагрева (полиморфные превращения и др.) вызывает аномальные точки на графике зависимости свойств от температуры. Так, для кварцитов наблюдается минимальное значение модуля Юнга и максимальное значение коэффициента линейного расширения в точке полиморфного перехода b-кварца в a-кварц (573°C). Воздействие тепла приводит также к спеканию, разложению, плавлению, возгонке, испарению отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород. Напряжённость и частота электромагнитных полей оказывают наибольшее влияние на электромагнитные и радиоволновые свойства пород. Это обусловлено энергетическим воздействием полей на частицы пород, в результате чего происходит их электрическая и магнитная переориентировка (поляризация и намагничивание), возбуждение электронов и ионов. Так, повышение напряжённости приводит к росту электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостей.   Как объект горных разработок, горные породы характеризуются различными технологическими свойствами - крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью и т. д. Крепость оценивает сопротивляемость пород механическому разрушению, абразивность - способность пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и т. д. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко применяется классификация горных пород по крепости, предложенная проф. М. М. Протодьяконовым-старшим).