2015-01-21
2530
В пористых и трещиноватых породах всегда имеется то или иное количество воды. При этом 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.
Вода, находящаяся в кристаллической решетке в виде молекул, называется кристаллизационной. Она характерна, например, для гипса (СаSO4 ·2Н2O), опала (SiO2 nH2O), карналлита (KCl·MgCl2·6Н2O) и многих других минералов. Кристаллизационная вода, как правило, удаляется при температуре 200—600° С.
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 и др.
Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при ее нагревании; она обуславливает изменение свойств породы при высоких температурах. Вследствие нарушения кристаллической решетки минералов при выделении из них химически связанной воды происходит ослабление и разрушение пород, а в ряде случаев их упрочнение (глины).
|
|
|
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. Поэтому наличие такой воды значительно изменяет физические свойства пород.
Количество физически связанной воды зависит от смачиваемост и пород. Смачиваемость — способность горной породы покрываться пленкой жидкости[12].
Большинство горных пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным).
Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобные) — сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.
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.
Количество физически связанной воды в породах оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоемкости [13]. Максимальная гигроскопичность w г — 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:
где Gм — вес влажного образца породы; Gс — вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С.
Свободная вода в породах может находиться 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.
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%.
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.
Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется ее полной влагоемкостью:
Весовой 
, Объемной 
где Gп — вес породы, максимально насыщенной жидкостью; Gс — вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С; Vж — объем жидкости, заполняющей породу (Vж ≈ Gп - Gс); Vп — объем породы.
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 
.
В случае, когда вода способна проникнуть между пакетами кристаллических решеток некоторых минералов (монтмориллонит, вермикулит, галлуазит), наблюдается 
. Последнее явление характерно для связных (глинистых) пород.
Для характеристики породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности wе, равном относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщения kвн, указывающим на степень насыщения породы водой:
.
Если we заменить w'п, а wп — пористостью Р, то коэффициент водонасыщения будет характеризовать степень максимального заполнения норового пространства водой.
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:
ξ = wп - wм
Таким образом, чем больше молекулярная влагоемкость пород, тем меньше их коэффициент водоотдачи. Коэффициент водоотдачи зависит от размеров частиц, образующих породу, величины и взаимного расположения пор. Слабая водоотдача пород обычно снижает производительность механической и гидравлической разработки пород, затрудняет осушение месторождения, транспортирование и дробление полезного ископаемого.
