Водно-физические свойства

1.

Водно-физические свойства
• В пористых и трещиноватых породах всегда имеется то или иное
количество воды.
• Различают
• химически связанную,
• физически связанную
• свободную воду.

2.

Химически связанная вода
• Химически связанная вода входит в состав кристаллической
решетки минералов;
• удаление такой воды приводит к разрушению минерала.
• Вода, находящаяся в кристаллической решетке в виде молекул,
называется кристаллизационной.
• Она характерна, например, для гипса (СаSO4 ·2Н2O), опала (SiO2
nH2O), карналлита (KCl·MgCl2·6Н2O).
• Кристаллизационная вода удаляется при температуре 200—600°
С.

3.

Химически связанная вода
• Воду, образующуюся при нагреве из входящих в
кристаллическую решетку гидроксильных ионов (ОН- и Н+),
называют конституционной
• температура ее выделения до 1300°С. Она характерна для
таких минералов, как тальк, малахит, каолинит
• Наличие в породе химически связанной воды проявляется
только при ее нагревании;
• она обуславливает изменение свойств породы при высоких
температурах. Вследствие нарушения кристаллической
решетки минералов происходит ослабление и разрушение
пород, а в ряде случаев их упрочнение (глины).

4.

Физически связанная вода
• тесно соединена молекулярными силами притяжения с твердыми
частицами породы, обволакивая их в виде пленки.
• Физически связанная вода не перемещается в породах, имеет
высокую плотность (до 1,74 г/см3), низкую температуру
замерзания (—78°С), низкие теплоемкость, диэлектрическую
проницаемость, электропроводность и не является
растворителем.
• Она удаляется из породы только нагреванием до температуры
110°С.
• Наличие такой воды значительно изменяет физические свойства
пород.

5.

Смачиваемость
• Количество физически связанной воды зависит от смачиваемости
пород.
• Смачиваемость — способность горной породы покрываться пленкой
жидкости
• Смачиваемость пород обуславливается их способностью
концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности молекулы
жидкости за счет электростатического притяжения.
• Большинство горных пород относится к хорошо смачиваемым водой
(гидрофильным).
• Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобные) — сера, угли,
битуминозные песчаники и некоторые другие породы.

6.

Адсорбционная способность пород
• возрастает при наличии в них растворимых солей,
глинистых минералов, а также с увеличением
удельной поверхности твердой фазы.
• Наблюдается увеличение адсорбционной
способности с уменьшением размеров частиц
рыхлой породы и увеличением их угловатости.

7.

•Количество физически связанной воды в
породах оценивается показателями:
•максимальной гигроскопичности
•максимальной молекулярной
влагоемкости

8.

Максимальная гигроскопичность wг
• наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать
на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной
влажностью 94%.
• Молекулярная (или пленочная) влагоемкостъ wм —
количество воды, удерживаемой силами молекулярного
притяжения на поверхности частиц породы
G м Gс
wм
Gс
где Gм — вес влажного образца породы;
Gс — вес образца породы, высушенного при
температуре 105—110° С.

9.

Свободная вода
• Находится в виде капиллярной воды, удерживаемой в
мелких порах силами капиллярного поднятия,
• и в виде гравитационной воды, заполняющей
крупные поры и передвигающейся в породах под
действием сил тяжести или напора.
• Количество капиллярной воды оценивается величиной
капиллярной влагоемкости, которая зависит от
среднего размера поровых каналов,
перпендикулярных зеркалу грунтовых вод в
изучаемом объеме.

10.

• В зависимости от минерального и
гранулометрического состава пород и формы
частиц соотношение количества видов воды в
породах различно.
• Так, пески содержат в основном гравитационную
воду, а глины, лёсс и суглинки — молекулярную и
капиллярную. Относительное содержание
капиллярной воды в глинах составляет 18—50%.

11.

• Капиллярная вода, находящаяся в породе в оторванном
от зеркала грунтовых вод состоянии (подвешенная вода),
способствует увеличению связности породы, увеличивает
допустимые нагрузки и углы откосов в отвалах.
• Если капиллярная вода связана с ее источником, она
становится напорной и понижает устойчивость откосов.
• Вид воды определяет возможные способы осушения
месторождения. Наиболее легко поддаются дренажу
гравитационные воды, значительно труднее (отжатием,
электродренажом) — капиллярные.

12.

Весовая полная влагоемкость
• Максимальное количество связанной, капиллярной и
гравитационной воды, которое способна вместить порода Максимальная (полная) влагоемкость Wmax (влажность,
соответствующая полному заполнению пор водой).
wmax
Gп Gс mп mс
Gс
mс
где G (m) п — вес (масса) породы, максимально
насыщенной жидкостью; G (m)с — вес
(масса)образца породы, высушенного при
температуре 105—110° С

13.

wп P
Объемная максимальная влагоемкость
wmax
Vж
Vп
• Vж — объем
жидкости,
заполняющей породу
(Vж ≈ Gп - Gс );
• Vп — объем породы.

14.

• Величина объемной полной влагоемкости примерно равна
пористости породы. Если поры в породах не имеют свободного
сообщения друг с другом, то в них может остаться некоторое
количество защемленных газов даже при полном насыщении
пород водой, тогда wmax
П
• В случае, когда вода способна проникнуть между пакетами кристаллических решеток некоторых минералов (монтмориллонит,
вермикулит, галлуазит), наблюдается w П
max

15.

16.

• Для характеристики породы в естественном состоянии
пользуются параметром естественной влажности wе, равном
относительному количеству воды, содержащейся в породах в
природных условиях (воздушно-сухом состоянии),
• и коэффициентом водонасыщения kвн указывающим на степень
насыщения породы водой
wе
kвн
wmax

17.

• Из максимально увлажненной породы извлечь
механическими средствами всю воду невозможно. Весьма
трудно отдают воду лёссы, глины, очень мелкие пески
(плывуны).
• Способность породы отдавать воду под механическим
воздействием и под действием гравитационных сил
характеризуется водоотдачей ξ
• Слабая водоотдача пород обычно снижает
производительность механической и гидравлической
разработки пород, затрудняет осушение месторождения,
транспортирование и дробление полезного ископаемого.
ξ = wmax – wмех

18.

Разность W’’ = Wmax- We оценивается как водопоглощение
(степень водонасыщения, влагонасыщенность) горной породы
Коэффициент влажности Квл — степень насыщения горных
пород влагой, определяемая отношением влагоемкости к
влагонасыщенности W /W’’
Водопроницаемость — коэффициент фильтрации Кф —
скорость фильтрации воды при градиенте давления, т. е. при
гидравлическом уклоне, равном единице.
Консистенция В — фазовое состояние связных пород под
влиянием влагонасыщения. Различают консистенцию пород:
твердую, пластичную и текучую.

19.

Строение и размеры зерен (кристаллов) и пор
• Строение минерального и порового объемов образца
оценивается одними и теми же параметрами:
• размером и формой зерен и пор;
• неоднородностью размеров и формы;
• относительным содержанием составляющих
минералов по размеру и форме;
• взаимной ориентацией зерен и пор;
• степенью связи между частицами породы и порами.

20.

Строение и размеры зерен (кристаллов) и пор
Для более глубокого исследования строения пород
пользуются микроскопическим методом.
В этом случае из породы изготовляют шлиф (пластинку
толщиной 0,02 ÷ 0,03 мм),
который изучают под поляризационным или электронным
микроскопом.
При этом определяют минеральный состав шлифа,
очертания отдельных минералов, трещины, спайности,
включения стекла, жидкостей, газов и т. д.
Микроскопический метод позволяет
не только определить наличие в породе тех или иных
минералов,
но и подробно описать ее строение.

21.

•Размер минеральных зерен и пор
оценивается по средней их величине
dср
•форма минеральных зерен и пор—
коэффициентом формы kф отношением их максимальных
размеров l к минимальным d.

22.

коэффициент неоднородности размеров
зерен
• Отношение максимального размера зерен,
занимающих 90% площади образца (d90), к
максимальному размеру зерен, занимающих 10%
площади образца (d10)
k н. р .
d 90
1
d10

23.

коэффициент неоднородности формы
зерен породы
(l / d ) 90
k н.ф.
(l / d )10

24.

• Характеристикой строения, указывающей на
степень анизотропности горной породы,
является преимущественная ориентация
минеральных зерен относительно друг друга
или пор относительно минеральной фазы

25.

• В пределах пород одного вида связь между частицами породы
может быть ослаблена из-за наличия между зернами пор, трещин
или тонких прослойков выветривания минералов.
• Эти характеристики близки понятию «пористость породы»,
причем значение имеет не сама величина пористости, а наличие
плоскостей ослабления, т. е. пористость вытянутая, плоскостная,
т.е.:
• Степень ослабления связи минеральных зерен kсв
k св.
l
P
d ср
l где Р — пористость в долях единицы;
- средний коэффициент формы порового пространства
d ср

26.

В несвязных породах различают:
Гранулометрический состав
• показывает распределение частиц по
крупности в несвязных и малосвязных
горных породах, определяется процентным
отношением различных фракций.