Общие сведения о воде в горных породах

Гидравлические свойства горных пород характеризуют содержание, характер движения и взаимодействие с минеральным скелетом породы шахтных вод.

Причины, обуславливающие поступление воды в горные выработки, очень разнообразны, но все же в основном водообильность месторождения определяется литологическим составом и условиями залегания горных пород. Горные породы, слагающие верхнюю оболочку земли, все без исключения обладают той или иной степенью пористости.

Наличие пор и трещин в породах предопределяет возможность их заполнения различными жидкостями и газами. В результате порода становится многофазной средой и свойства ее начинают зависеть от всего комплекса входящих в нее компонентов и от их взаимодействия.

Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решетки минералов. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое - безводное соединение.

Если вода в кристаллической решетке находится в виде молекул, то такая вода называется кристаллизационной. Она характерна, например, для гипса (СаSO₄ ∙ 2Н₂О), опала (SiO₂ ∙ nН₂О), карналлита (КСl ∙ MgCl₂ ∙ 6Н₂О) и многих других минералов. Кристаллизационная вода, как правило, удаляется из породы при температуре 200-600° С.

Вода, образующаяся при нагреве не входящих в кристаллическую решетку гидроксильных ионов (ОН^- и Н⁺), называется конституционной. Она характерна для таких минералов, как тальк (Mg₃(ОН)₂ Si₄O₁₀), малахит (Сu₂ (СO₅) (ОН₂), и каолинит (Аl₂ (ОН)₄ ∙ Si₂О₅). Температура выделения конституционной воды достигает 1300° С.

Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при ее нагревании. Она обусловливает изменение свойств породы при высоких температурах. Благодаря нарушению кристаллической решетки минералов при выделении из них химически связанной воды происходит ослабление и разрушение пород, а в ряде случаев их упрочнение (например, глины).

Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, обволакивая их в видепленки.Ее количество зависит от смачиваемости пород.

Смачиваемость – это способность горной породы покрываться пленкой жидкости. Величина смачивания твердой поверхности жидкостью характеризуется краевым углом α между плоскостью твердого тела и касательной к поверхности капли, проведенной из точки касания капли с телом.

Смачиваемость пород зависит от их адсорбционной способности, т.е. способности концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью не смачиваемы (гидрофобии) – сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.

Адсорбционная способность пород возрастает при наличии в них растворимых солей, глинистых минералов (особенно с раздвижной кристаллической решеткой – монтмориллонитов), а также с увеличением удельной поверхности твердой фазы. В связи с последним наблюдается увеличение адсорбционной способности с уменьшением размеров частиц рыхлой породы и увеличением их угловатости.

Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74 ∙ 10³ кг/м³), низкую температуру замерзания (-78°С), малые значения теплоемкости, диэлектрической проницаемости, электропроводности, не является растворителем. Она удаляется из породы только нагреванием до 105-110° С.

Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порох силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды, заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или давления.

Количество капиллярной воды оценивается параметром капиллярной влагоемкости. Последняя зависит от среднего размера поровых каналов, перпендикулярных к зеркалу грунтовых вод в изучаемом объеме.

В зависимости от минерального, гранулометрического состава пород и формы частиц соотношение количества различных видов воды в породах может быть разным. Так, пески содержат в основном гравитационную воду, а глины, лёсс и суглинки – молекулярную и капиллярную. Относительное содержание последней в глинах достигает 18-50%.

Поиск по сайту: