Водно-физические свойства глинистых пород

 

Глинистыми называются тонкодисперсные связные осадочные поро­ды, состоящие в основном из водных силикатов (глинистых минералов): каолинита , монтмориллонита , гидрослюды (биотит, мусковит), хлорита и др. Специфические "глинистые" свойства таких пород обусловлены наличием в их составе частиц размером менее 0,002 мм, которые в силу их малых размеров обла­дают огромной удельной поверхностью и, соответственно, высокой плот­ностью свободной поверхностной энергии и большой адсорбционной спо­собностью. По содержанию частиц данной фракции различают: глины (со­держание таких частиц более 30 %), суглинки (от 10 до 30 %), супеси (от З до 10%).

Высокая пластичность глинистых пород обусловлена наличием во­круг каждой частицы гидратных оболочек, существенно ослабляющих прочность контакта. По мере удаления от поверхности минеральных частиц вода находится в различных состояниях. Ближайшая к поверхности прочно связанная вода обволакивает частицы, образуя адсорбционную пленку. Такая вода не может быть удалена из породы механическим спо­собом. При влажности, превышающей максимальную гигроскопичность, появляется слой рыхло связанной воды. Здесь часть слоев воды удержива­ется молекулярными силами прочно связанной воды, а другая - осмотиче­скими силами. Последние формируются путем осмотического поглощения молекул воды молекулами рыхло связанного слоя, отличающегося более высокой концентрацией ионов. Такая вода может быть удалена механиче­ским способом (например, вибрацией). На некотором расстоянии от по­верхности минеральных частиц, превышающем радиус действия поверхностных сил, вода переходит в свободное (капиллярное и гравитационное) состояние.

 

Рнс.7 4. Кривые ползучести глинистых пород в различном состоянии

 

Количество воды в горной породе оценивается ее влажностью, кото­рую можно определить как отношение массы воды к массе минераль­ного скелета

(7.7)

Измеряется влажность в долях единиц или в процентах. Определение ее производится путем измерения массы пробы, насыщенной водой , и высушенной при температуре до постоянного веса . B зависимости от уровня влажности глинистой породы выделяют три ее состоя­ния: непластичное (в сухом состоянии), пластичное и текучее. Этим со­стояниям соответствует различный характер деформирования глинистых пород во времени при постоянном напряжении, т.е. ползучести (рис.7.4). В сухом состоянии глина ведет себя подобно скальной породе - деформация со временем затухает (см. рис.7.4,а). При большей влажности глина пере­ходит в пластичное состояние. В этом случае при достижении деформаци­ей определенной величины скорость ее роста остается постоянной (подоб­но незатухающей ползучести скальных пород) - (см. рис.7.4,б). Наконец, при еще большем увлажнении глина переходит в текучее состояние, при котором скорость деформации стремится к бесконечности (см. рис.7.4,в). Влажность, при которой глинистая порода переходит из непластичного со­стояния в пластичное, называется пределом пластичности , а из пла­стичного состояния в текучее - пределом текучести . Разница между этими величинами ( ) называется числом пластичности. Оно сви­детельствует о диапазоне влажности, в пределах которого глинистая порода находится в пластичном состоянии.

 

Ркс.7.5. Схема осмоса

 

Увеличение объема глинистой породы при увлажнении называется набуханием. Процесс набухания имеет осмотическую природу. Механическую схему осмотического втягивания можно представить в следующем виде (рис.7.5). Молекула воды испытывает притяжение глинистых частиц. Равнодействующая сил притяжения стремится

вовлечь ее между частицами и раздвинуть их. Расклинивающее действие тонких слоев воды и лежит в основе набухания глинистых пород. При этом создаются чрезвычайно большие давления, а увеличение объема глин приводит к пучению пород, которое сопровождается повреждениями кре­пи или разрушением горных выработок. Набухание численно оценивается следующими показателями:

· давлением набухания ,

· коэффициентом набухания , т.е. относительной объем­ной деформацией глин,

· влажностью набухания - максимальной влажностью, при ко­торой прекращается увеличение объема породы.

 

Рнс.7.6. Зависимость липкости глин от влажности

 

Явление, обратное набуханию, - сжатие породы при дегидратации (удалении воды) называется усадкой. Она характеризуется линейной или объемной усадкой .

При соприкосновении влажной глинистой породы с поверхностью твердого тела практически мгновенно происходит процесс смачивания данной поверхности поровой жидкостью. Одновременно идет процесс конденсации жидкости в зазорах между минеральными зернами и данной поверхностью. За счет этого происходит прилипание породы к поверхности другого тела (например, рабочему инструменту). Численно липкость (адгезия) харак­теризуется силой, которую нужно приложить, чтобы оторвать глинистую породу от металлической поверхности единичной площади . Липкость пород зависит от их влажности (рис.7.6). До определенного пре­дела (влажность начального прилипания ) молекулы воды удерживают­ся мощными силами молекулярного притяжения минеральных частиц, и поэтому они не способны вступать во взаимодействие с другими телами. При повышении влажности и, следовательно, утолщении пленки рыхло связанной воды, ее молекулы на границе слоя начинают притягиваться по­верхностью инструмента. При равенстве сил притяжения молекул воды к минеральной частице и другой поверхности происходит максимальное прилипание, соответствующее влажности . При дальнейшем утолщении пленки рыхло связанной воды молекулы периферийных частей ее оказы­ваются уже настолько удаленными от минеральных частиц, что они легко отрываются от их поверхности. Это состояние соответствует влажности .

Липкость глинистых пород служит серьезным препятствием при их добыче, погрузке и транспортировке. Предотвращение прилипания может осуществляться следующими способами. График (см. рис.7.6) показывает, что исключить прилипание можно путем уменьшения влажности глин ни­же величины или их переувлажнением ( ). Последнее явно не­технологично. Уменьшение же влажности достигается путем подсушива­ния или подмораживания. При этом достаточно удалить воду только из той части породы, которая непосредственно соприкасается с поверхно­стью вагонетки или конвейера. Другим путем является управление состоянием рабочей поверхности добычного и транспортного оборудования та­ким образом, чтобы максимально увеличить угол краевого смачивания по­верхности. Это достигается специальным покрытием поверхности (мате­риалы на основе полихлорвинила), нанесением на нее нефтепродуктов или порошкообразных веществ (тальк, сажа). При невозможности исключить прилипание глинистых пород производится механическая, гидродинами­ческая или термодинамическая очистка поверхности оборудования, кон­тактирующего с породой.