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.