Физические и водные свойства горных пород

  Трещиноватость горных пород (а. rock jointing, rock fissuring; н. Zerklьftung der Gesteine; ф. fissuration des roches, fracturation des roches; и. fisuraciyn de rocas) — явление разделения горных пород земной коры трещинами различной протяжённости, формы и пространственной ориентировки. По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную. Нетектонические трещиноватости горных пород — следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации, развития экзогенных процессов (гравитационного оползания, резких колебаний температуры), ведения горных работ ("технологическая" трещиноватость) и т.п. Тектоническая трещиноватость горных пород развивается в связи с напряжениями, возникающими в горных породах под влиянием глубинных тектонических сил. Выделяются трещины отрыва и трещины скалывания, которые образуют системы, закономерно ориентированные по отношению к крупным тектоническим структурам; в связи с развитием последних происходит растрескивание горных пород. При планетарной трещиноватости горных пород напряжения в земной коре возникают под действием планетарных явлений (например, изменения частоты вращения и формы Земли, "твёрдых приливов" и т.п.). 

  Трещиноватость горных пород в зависимости от методов измерения характеризуется: размером отдельности горных пород; интенсивностью (суммарной шириной раскрытия трещин на единицу длины скважины, мм/м); удельным водопоглощением (поглощением воды массивом на единицу длины скважины и единицу гидростатического напора в единицу времени, л/с•м²); реометрической проницаемостью (падением давления воздуха при его растекании в скважине на единицу длины в единицу времени, Па/м•с) и другими параметрами. 

  Укрупнённая оценка трещиноватости горных пород даётся с помощью диаграмм трещиноватости, отражающих преимущественную ориентацию систем трещин, среднее их раскрытие, шероховатость и др.  
 Явление трещиноватости имеет как положительные, так и отрицательные практические следствия. Рассечение горных пород трещинами способствует проницаемости земной коры для глубинных растворов (флюидов), несущих рудные компоненты, которые, откладываясь в трещинах, формируют месторождения полезных ископаемых. Глубинные горизонты трещиноватых пород могут быть коллекторами пресной воды, нефти и газа. Трещиноватость горных пород обеспечивает хорошее дробление горных пород при отбойке, способствует применению экономичных систем разработки с самообрушением руды. Трещиноватые породы лишены склонности к динамическим проявлениям горного давления. Отрицательное влияние трещиноватости горных пород состоит в понижении устойчивости массивов горных пород. Прочностные характеристики массива трещиноватых горных пород повышают цементацией, силикатизацией, битумизацией и смолоинъекционным упрочнением. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Водные  свойства горных пород (влагоемкость, водоотдача, пронициаемость)

   Влагоемкость горных пород (а. rock's specific retention, rock's moisture capacity; н. Wasseraufnahmevermцgen der Gesteine, Bergfeuchte; ф. capacitй hygrosсоpique des roches; и. capacidad higroscypica de las rocas) — способность горных пород удерживать в пустотах (порах, кавернах и трещинах) воду.

  Влагоемкость оценивается по относительному или объёмному содержанию (в %) влаги путём взвешивания образцов породы, насыщенных водой и высушенных до постоянного веса. По характеру распределения воды в пустотах породы различают гигроскопическую (характерную для грунтов, залегающих близко к поверхности), молекулярную, капиллярную и полную влагоемкость. Максимальная гигроскопическая влагоемкость определяется количеством влаги, которое порода способна поглотить из воздуха с относительной влажностью 94%. Для песков гигроскопичность по массе в среднем около 1%, для лёссов, илов 5-10%, глин 15-20%. Молекулярная влагоемкость (количество воды, удерживаемой за счёт молекулярного взаимодействия на поверхности зёрен минералов) зависит от характеристики смачиваемости поверхности зёрен и степени их дисперсности. Например, кварцевые пески имеют наименьшую молекулярную влагоемкость — около 1,5%, лёссы — около 14%, глины — до 40% (по массе). Капиллярная влагоемкость соответствует количеству воды, удерживаемой в пустотах породы за счёт действия капиллярных сил. Её величина возрастает с уменьшением среднего размера пустот главным образом поровых каналов и для песков составляет несколько %, для глин — от 18 до 50%. Полная влагоемкость — максимальное количество воды, которое способна удерживать водонасыщенная порода в естественных условиях её залегания; предельное значение полной влагоемкости равно открытой пористости пород и колеблется в среднем от 0,5 до 60% и более (для рыхлых пород, туфов, бурых углей, глин, известняков). 

     Влагоемкость  учитывается при расчётах систем водоосушения, параметров установок  и технологии нагнетания в породы и пласты углей воды с целью  их разупрочнения, при разработке методов  борьбы с внезапными выбросами, определении потребности воды при подземном выщелачивании руд, расчётах процесса подземной выплавки серы, тампонаже и др.

     Водоотдача горных пород (а. yield of water of rock; н. Wasserabgabefдhigkeit der Gesteine; ф. rendement deau des roches; и. producciyn de agua de las rocas) — способность водонасыщенных горных пород отдавать воду путём свободного стекания под влиянием силы тяжести либо в результате воздействия (откачки, вакуумирования и т.п.).

     Механизм  водоотдачи определяется соотношением капиллярных сил и сил, преодолевающих их действие (гравитация или давление закачиваемых в водонасыщенные породы несмешивающихся с водой веществ). Оценивается процентным отношением объёма свободно вытекающей из образца породы воды к его объёму; количеством воды (в л), вытекающей из 1 м³ породы (удельная водоотдача), а также коэффициент, определяемый как разность между полной и максимальной молекулярной влагоёмкостями. В массивах горных пород определяют коэффициент гравитационной влагоотдачи, который отражает запасы воды, отдаваемые путём свободного её стекания под влиянием силы тяжести, и упругой влагоотдачи, который отвечает упругим запасам подземных вод и определяется по данным опытных откачек. Влагоотдача возрастает с увеличением крупности частиц пород, открытой пористости, трещиноватости и уменьшением смачиваемости. Тонкодисперсные породы из-за большой величины капиллярных и поверхностных сил, удерживающих воду, обладают весьма низкой водоотдачей (например, суглинки — 0,01-0,1; супеси — 0,05-0,1).  
 Водоотдача — основная характеристика при выборе способов водозащиты горных выработок, расчёта сети дренажных скважин, интенсивности снижения уровня воды при водопонижении, а также для расчёта эксплуатационных запасов подземных вод.

      Проницаемость – способность пород пропускать флюиды. Она зависит от размера и конфигурации пор, что обусловлено размером зерен терригенных пород, плотностью укладки и взаимным расположением частиц, составом и типом цемента и др. Очень большое значение для проницаемости имеют трещины. Традиционно проницаемость оценивали во внесистемных единицах дарси (Д). А в системе СИ ей примерно соответствует единица 1··10^–12м². Такой проницаемостью обладает образец горной породы длиной L 1 м, площадью сечения в 1 м², пропускающий сквозь себя 1 м³/сек жидкости Q вязкостью 0,001 Па··с при перепаде давления на концах образца p 0,1013 МПа.

     Различают абсолютную и относительную проницаемость. Абсолютная проницаемость описывает  прохождение однородного флюида, не реагирующего с вмещающей горной породой, которая принимается однородной. Абсолютная проницаемость не меняется со временем. Эффективная проницаемость описывает прохождение конкретного флюида, например, смеси нефти и воды, которые могут реагировать с породой. Естественно, что определение ее в каждом конкретном случае необходимо. По величине проницаемости горные породы разделяются на три порядка в пределах 1·10–15 – 110–12 м²; последнее соответствует 1 Д. Примерно такой проницаемостью обладает обычная водопроводная труба, а проницаемость реальных горных пород в сотни и более раз меньше. Продуктивные коллектора имеют проницаемость 10^–14 – 10^{–13 м2}. Проницаемость обеспечивается сообщающимися порами между частицами, обломками или кристаллами. Поэтому если размер пор более 10 мкм., то проницаемость возрастает пропорционально пористости. Минимальный размер поры, в которой может перемещаться флюид, более 1 мкм. Если же пора меньше, то поверхностные силы ее стенок делают капилярное натяжение непреодолимым для флюида. Поэтому, например, глины, обладая в сухом состоянии пористостью 30%, непроницаемы из–за ничтожных размеров своих каналов. В трещиноватых породах флюид перемещается по трещинам, достигающим иногда 100 мкм. В отличие от межгранулярной проницаемости в общем постоянной в пласте, трещинная проницаемость резко возрастает в узкой зоне вблизи разломов. Вскрытие скважиной таких узких линейных зон обещает гигантские притоки, но грозит аварийными выбросами, фонтанами и требует особого искусства.Табл.3 

     Табл.3

Заключение 

     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 влагоемкость горных пород и их водонепроницаемость. В осадочных гонных 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 горных пород.

  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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 

1. Белоусов  В. В., Структурная геология, 2 изд., М., 1971
2. Михайлов А. Е., Структурная геология и геологическое картирование, 3 изд., М., 1973.
3. Кузнецов Е. А., Петрография магматических и метаморфических пород, М., 1956
4. Барон Л. И., Логунцов Б. М., Позин Е. З., Определение свойств горных пород, М., 1962
5. Ржевский В. В., Новик Г. Я., Основы физики горных пород, М., 1967
6. http://www.mosgeonet.ru
7. http://www.geolog.ru/