Свойства горных пород по отношению к воде

Водные свойства горных пород зависят от их минерального и гранулометрического состава, строения (структуры), сложения (текстуры), трещиноватости (скважности) и пористости.

Влажность пород в естественных условиях W_Q характеризуется количеством воды, содержащейся в их порах и трещинах в данный момент. Влажность пород изменяется во времени и в пространстве. Она определяется отношением количества воды (массы или объема) к массе или объему содержащей ее породы (измеряется в %). Влаж­ность является важной характеристикой пород, определяющей их прочность и поведение под действием инженерных сооружений. Используется она и при водно-балансовых расчетах. Влажность пород определяют в лаборатории (метод высушивания) и полевых условиях (нейтронный каротаж, тензиометрический и другие ме­тоды).

Влагоемкостъ — это способность горных пород вмещать и удер­живать в своих пустотах определенное количество воды при воз­можности ее свободного стекания. Она определяется лабораторным путем, выражается в процентах (по массе или объемных), исполь­зуется при гидрогеологических расчетах для определения других параметров (пористости, водоотдачи и т.п.).

Различают следующие виды влагоемкости: полную — макси­мальное количество воды, удерживаемой породой при полном на­сыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное коли­чество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную (или максимальную молекулярную) — максимальное количество физи­чески связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроско­пическую, соответствующую количеству прочно связанной (адсор­бированной) воды.

По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелко­зернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдача — это способность водонасыщенных горных пород отдавать гравитационную воду при возможности ее свободного сте­кания. Численно водоотдача характеризуется коэффициентом во­доотдачи [х, представляющим собой отношение объема свободно отдаваемой воды к объему всей породы (величина безразмерная). Водоотдача зависит от размеров и структуры пор и трещин.

Наилучшей водоотдачей обладают породы с крупными порами и пустотами (гравий, галечник, крупнозернистые пески), у которых коэффициент водоотдачи близок по величине к коэффициенту по­ристости или полной влагоемкости и изменяется в пределах от 0,15 до 0,4. Более мелкозернистые песчаные и суглинистые породы об­ладают незначительной водоотдачей (0,15—0,005), которая опреде­ляется по разности между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью.

Водоотдача является важным гидрогеологическим параметром, широко используемым при решении задач водоснабжения, осу­шения, прогноза подпора и др. Определяется она лабораторными и полевыми методами, а также по данным наблюдений за режимом подземных вод. Близким к водоотдаче параметром является коэф­фициент недостатка насыщения, характеризующий способность горных пород принимать гравитационную воду при их насыщении. Численно коэффициенты водоотдачи и недостатка насыщения близки между собой, однако недостаток насыщения может быть больше водоотдачи. Обычно его определяют по разности между полной влагоемкостью и естественной влажностью. Оба показателя широко используют при гидрогеологических расчетах.

Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы закона Дарси, представляет собой скорость фильтрации при напорном гра­диенте, равном единице. Размерность его: м/сут, м/ч, см/с. Опре­деляется коэффициент фильтрации с помощью лабораторных ме­тодов, полевых опытно-фильтрационных работ, геофизических исследований и эмпирических формул с использованием данных о гранулометрическом составе, пористости и других свойствах гор­ных пород.

Водопроницаемость — это способность горных пород пропускать через себя (фильтровать) воду. Водопроницаемость зависит от гра­нулометрического состава пород, размеров пустот и трещин, свойств фильтрующейся жидкости и других факторов. Количе­ственно она характеризуется коэффициентом фильтрации, явля­ющимся одним из основных гидрогеологических параметров, ши­роко используемым при различных геофильтрационных расчетах и гидродинамических прогнозах.

Выше уже отмечалось, что чем больше зернистость и крупнее обломки слагающих породу частиц, тем больше ее водопроницае­мость. Для ориентировочного определения коэффициента филь­трации зернистых пород нередко используют эмпирические фор­мулы, учитывающие зависимость водопроницаемости от грануло­метрического состава, пористости и других показателей.

Средние значения коэффициента фильтрации для различных горных пород

Как видно из таблицы скальные горные породы (магматические и метаморфические) при отсутствии трещиноватости характеризу­ются весьма низкими значениями скважности и невысокими зна­чениями проницаемости.

Крупнозернистые и грубозернистые пески, интенсивно трещи­новатые скальные породы характеризуются, напротив, высокими значениями коэффициента фильтрации, связанными с высокой ак­тивной скважностью и пористостью горных пород.