Методы изучения состава и строения пород

Содержание воды в породах

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 w_м — количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:

где G_м — вес влажного образца породы; G_с — 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 G_п — вес породы, максимально насыщенной жидкостью; G_с — вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С; V_ж — объем жидкости, заполняющей породу (V_ж ≈ G_п - G_с); V_п — 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 w_е, равном относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщения k_вн, указывающим на степень насыщения породы водой:

.

Если w_e заменить w'_п, а w_п — 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 = w_п - w_м

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.

Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал (монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный).

При изучении горных пород в первую очередь определяют их минеральный состав и строение. Простейшее качественное определение минералов проводят по ряду внешних признаков: форме, цвету, блеску, спайности, твердости, горючести, запаху, шероховатости и т. д.

Если внешних признаков недостаточно для точной диагностики минерала, пользуются характерными реакциями некоторых минералов с кислотами, щелочами или «методом паяльной трубки», который заключается в наблюдении изменений минералов при воздействии на них высокой температуры в различной химической среде.

Для более глубокого исследования пользуются микроскопическим методом. В этом случае из породы изготовляют шлиф (пластинку толщиной 0,02 ÷ 0,03 мм), который изучают под поляризационным микроскопом. При этом определяют минеральный состав шлифа, очертания отдельных минералов, трещины, спайности, включения стекла, жидкостей, газов и т. д.

Микроскопический метод позволяет не только определить наличие в породе тех или иных минералов, но и подробно описать ее строение. Подобные исследования проводят также на электронном микроскопе.

Для горного производства нет необходимости выделять большое число различных групп по строению пород, так как значение имеет лишь такое строение, которое в практически важных пределах спо­собно изменить физико-технические характеристики пород. Поэтому строение минерального и порового объемов образца может оцениваться одними и теми же параметрами: размером и формой зерен и пор; неоднородностью размеров и формы; относительным содержанием составляющих минералов по размеру и форме; взаимной ориентацией зерен и пор; степенью связи между частицами породы и порами.

Размер минеральных зерен и пор оценивается по средней их величине d_ср, а форма минеральных зерен и пор — коэффициентом формы k_ф, являющимся отношением их максимальных размеров l к минимальным d.

Отношение максимального размера зерен, занимающих 90% площади образца (d₉₀), к максимальному размеру зерен, занимающих 10% площади образца (d₁₀), называется коэффициентом неоднородности размеров зерен породы

.

Отношение

называется коэффициентом неоднородности формы зерен породы.

Характеристикой строения, указывающей на степень анизотропности горной породы, является преимущественная ориентация минеральных зерен относительно друг друга или пор относительно минеральной фазы.

В пределах пород одного вида связь между частицами породы может быть ослаблена из-за наличия между зернами пор, трещин или тонких прослойков выветривания минералов. Эти характери­стики близки понятию «пористость породы», причем значение имеет не сама величина пористости, а наличие плоскостей ослабления, т. е. пористость вытянутая, плоскостная. В качестве численного параметра степени ослабления связи минеральных зерен k_св удобно использовать произведение

,

где Р — пористость в долях единицы; - средний коэффициент формы порового пространства.

Для определения относительного количества минералов, слагающих породу, пользуются разделением минералов (сепарацией) и методом химического анализа, заключающимся в количественном определении содержащихся в породе элементов. Зная химический, состав породы, можно расчетным путем перейти к ее количественному минеральному составу.

Для полуколичественной диагностики минералов широко используются методы рентгеноструктурного (метод интерференции[14]) и рентгеноспектрального анализа.

Метод интерференции основан на дифракции[15] рентгеновских лучей, проходящих через кристаллическую решетку вещества.

Каждый атом становится центром рассеивания рентгеновских волн. Эти волны, интерферируя между собой, дают по определенным направлениям максимумы. Если максимумы зафиксировать на фотопластинке, то кроме центрального пятна от луча на ней будут видны менее интенсивные закономерно расположенные пятна лучей, испытавших дифракцию. По их положению и относительной интенсивности можно составить представление о расположении рассеивающих центров в кристаллической решетке. Для каждого типа решетки и минерала наблюдается своя индивидуальная дифракционная картина. Это позволяет определить минералы и изучить их кристаллическую структуру.

Установлено, что не только один большой кристалл, но и совокупность хаотично расположенных кристаллов при просвечивании вызывает появление на пленке резких интерференционных колец. Обычно просвечивается небольшой объем порошка исследуемого вещества. Порошковый метод применим для всех кристаллических тел. Отсутствие интерференционных колец показывает, что тело находится в аморфном состоянии. Этим методом можно изучать кристаллическую решетку минералов, упругие и пластические деформации в кристаллах, мгновенные напряжения и минеральный состав пород.

Изучение минерального состава возможно потому, что рентгенограммы смеси минералов накладываются друг на друга без взаимных возмущающих эффектов. Сравнение полученной рентгенограммы с рентгенограммами чистых минералов позволяет судить о наличии примесей.

На рентгенограмме могут отражаться лишь явления, которые вызывают изменение кристаллической решетки и, наоборот, не отражаются явления, не вызывающие ее изменения. Поэтому с помощью интерференционного метода можно диагностировать минералы независимо от огранения кристаллов.

Если метод интерференции позволяет получить сведения о характере химической связи в минерале, то рентгенографический спектральный анализ дает возможность установить наличие всех находящихся в минерале элементов независимо от характера химического соединения.

Рентгенографический спектральный анализ основан на том, что при определенных условиях все атомы испускают характерное рентгеновское излучение.

Исследуемый минерал помещают в антикатод рентгеновской трубки, бомбардируют быстрыми электронами и наблюдают первичный спектр испускания лучей.

Практически методом рентгенографического спектрального анализа можно обнаруживать элементы, обладающие большим атомным весом, чем у калия.

Для исследования химического и минерального составов пород используют также оптический спектр сжигаемых минералов (эмиссионный метод), термографию (регистрация температурных изменений при нагреве минералов) и др.

Дата добавления: 2013-12-12