Физические и водные свойства горных пород

В гидрогеологическом отношении горные породы подразделяются на водопроницаемые и водонепроницаемые, на рыхлые и скальные.

К рыхлым относятся раздельнозернистые породы, сложенные частицами, между которыми отсутствуют структурные связи (гравий, песок разной крупности), и глинистые породы с агрегатной структурой, мельчайшие частицы которых образуют более крупные и сложные агрегаты, связанные между собой.

К скальным относятся изверженные, метаморфические и сцементированные осадочные породы (известняки, песчаники, глинистые сланцы и т. п.), имеющие жесткие связи между частицами.

Физические и водные свойства рыхлых и скальных пород зависят от их литологического и химико-минерального состава, пористости, трещиноватости и структуры.

Скважность и пористость

Горные породы по условиям происхождения и вследствие вторичных процессов (выветривание, растворение и выщелачивание, тектонические движения и др.) не являются абсолютно монолитными и содержат пустоты самых разных размеров и формы. В зависимости от вида и размера пустот различают скважность, обусловленную крупными порами (более 1 мм), ноздреватостью, крупной трещиноватостью и закарстованностью, и пористость, когда в горных породах имеются поры диаметров менее 1 мм и трещины шириной менее 0,25 мм.

Скважность и пористость определяют гидрогеологические свойства горных пород. В горных породах, которым присуща скважность, подземная вода передвигается только под действием силы тяжести, а в пористых породах — под действием силы тяжести, поверхностного натяжения и других факторов.

Величину пористости необходимо учитывать при решении ряда практических задач в строительстве, водоснабжении, горном деле и т. п.

Количественно пористость n выражается отношением объема пустот Vп ко всему объему породы V:

В породах осадочного происхождения (гравий, песок, щебень и т. п.) величина пористости зависит от размера, формы и взаимного расположения слагающих их частиц. Пористость гипотетической породы, состоящей из частиц шаровидной формы одинакового диаметра, в зависимости от их расположения, изменяется от 25,95 до 47,64%.

Водоотдача и водопроницаемость пород, обладающих различной пористостью, зависят не только от общей пористости и размера отдельных пор, но и от их расположения в породе и взаимной связи. Если рыхлые породы сложены неоднородным плохо отсортированным материалом, то пустоты между крупными обломками заполнены более мелкими частицами, что уменьшает объем пустот, а, следовательно, и пористость.

Среди скальных пород наименьшую пористость имеют изверженные, у которых она обычно не превышает долей процента. Исключением является артикский туф Армении, пористость которого достигает 60%.

Пористость глинистых пород, несмотря на очень малую величину отдельных пор, в большинстве случаев превосходит пористость песков и нередко достигает 60% и более; поры в этих породах обычно имеют щелевидную форму. Пористость глинистых пород непостоянна и изменяется в зависимости от степени их увлажнения и величины внешнего давления.

К водным (гидрогеологическим) свойствам горных пород относят те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: 

• водопроницаемость;
• капиллярное поднятие;
• влагоемкость;
• водоотдачу;
• растворимость; 
• набухание;
• усадку;
• пластичность;
• консистенцию. 

Водопроницаемость — это свойство пород пропускать воду под действием силы тяжести, которое обусловливается их скважностью и пористостью. Не все породы водопроницаемы. Глинистые породы, пористость которых почти всегда выше пористости раздельнозернистых пород (пески и др.), практически не пропускают воду вследствие того, что поры в них очень мелкие и находящаяся в них физически связанная вода не подвержена действию сил гравитации.

Пески, гравий, щебенка, известняки и другие породы, свободно пропускающие воду, называют водопроницаемыми, а глинистые породы — водонепроницаемыми, или водоупорными. Водоупорными бывают также монолитные невыветрелые скальные нетрещиноватые породы.

Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации k, который представляет собой скорость движения воды при гидравлическом градиенте, равном единице; k измеряется в метрах в секунду или сутки. Примерные величины коэффициентов фильтрации (м/сут) различных осадочных пород приведены ниже:

• Глины <0.001
• Суглинки 0,001–0,1
• Супеси 0,1–1
• Пески: мелкозернистые 1–6, средне- и крупнозернистые 6–60
• Галечники: с песком 20–100, отсортированные >100
• Бурые угли: Днепровского бассейна 0,0001–0,46, других бассейнов 0,5–14

Гидравлическим, или напорным, градиентом называется отношение разности напоров в двух точках гидростатической поверхности к расстоянию между ними, считая по горизонтали.

При гидрогеологических расчетах наряду с коэффициентом фильтрации используют коэффициент водопроводимости T, измеряемый в квадратных метрах в сутки:

где h — мощность водоносного горизонта, м.

Коэффициент водопроводимости выражает способность водоносного горизонта мощностью h и шириной 1 м фильтровать воду в единицу времени при напорном градиенте, равном единице. Коэффициенты фильтрации и водопроводимости количественно выражают водопроводимость горной породы.

Рыхлые горные породы имеют большое число мелких пустот и канальцев, обладающих свойствами капилляров, которые разветвляются в разных направлениях, образуя тончайшую капиллярную сетку. Поднятие или опускание жидкости в капиллярах называется капиллярным явлением. 

Капиллярные явления объясняются действием сил поверхностного натяжения между молекулами воды и стенками капилляра на границе раздела воды и воздуха.

Результаты лабораторных и полевых исследований дают следующие величины предельной высоты капиллярного поднятия (см):

• Пески: крупнозернистые 12–15, среднезернистые 40–50, мелкозернистые 90–110
• Супеси 175–200
• Суглинки: легкие 225–250, средние и тяжелые 350–650
• Глины до 1200

Показатели капиллярного поднятия воды в породах используются для различных целей:

1. Оценки возможности увлажнения нижней части фундаментов зданий, бортов карьеров и отвалов, насыпей железных дорог и автострад, силосных ям и др. Это увлажнение создает излишнюю сырость в помещениях, а также снижает прочность грунтов оснований фундаментов, склонов, откосов карьеров, дорожных насыпей и пр.;
2. Выяснения возможности заболачивания территорий, а в засушливых районах — засоления грунтов;
3. Расчета необходимой глубины понижения уровня грунтовых вод при строительстве карьеров и других инженерных сооружений, осушении заболоченных территорий и борьбе с засолением почв на орошаемых массивах.

Влагоемкость — это способность горных пород вмещать в своих пустотах и удерживать определенное количество воды. Различают следующие виды влагоемкости: полную — максимальное количество воды, удерживаемое породой при полном насыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное количество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную, или максимальную молекулярную, — максимальное количество физически связанной воды, удерживаемое частицами породы; гигроскопическую, которая соответствует количеству прочносвязанной (адсорбционной) воды. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелкозернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдачей называется свойство пород, насыщенных водой, свободно отдавать гравитационную воду. Количественно она характеризуется отношением объема свободно вытекающей из породы воды (при полном заполнении пор или трещин) к объему всей породы. Для крупнозернистых песков, гравия и других подобных пород водоотдача равна их полной влагоемкости. Водоотдача мелкозернистых песков, супесей и суглинков значительно меньше водоотдачи перечисленных выше пород и равна разности между полной и максимальной молекулярной влаго-емкостью. Величина водоотдачи используется при решении вопросов осушения заболоченных территорий, дренирования выемок, определении притоков воды в котлованы и горные выработки и т. д.

Растворимость — это способность некоторых пород (известняки, доломиты, мел, гипс, соли и др.) при соприкосновении с подземной водой полностью или частично растворяться. Растворяющей способностью подземная вода обладает только в том случае, если она не насыщена соответствующей солью. Например, подземные воды, насыщенные карбонатом кальция, не растворяют, известняки, а насыщенные сульфатом кальция не растворяют гипс и ангидрит. Растворяющая способность агрессивных подземных вод зависит также от скорости их движения в породе: чем больше скорость движения воды, тем выше ее растворяющая способность.