Водные свойства скальных и полускальных пород

Главнейшими водными свойствами скальных и полускальных горных пород являются их водоустойчивость, влагоемкость и водопроницаемость.

Водоустойчивость. Водоустойчивость этих двух групп пород характеризуется в первую очередь их размягчаемостью. Любые горные породы, и в том числе такие прочные, как кварцит, диабаз, базальт и др., при насыщении водой размягчаются и снижают свою прочность. Размягчаемость характеризуется коэффициентом размягчаемости Кр, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы после насыщения водой Rсж.в к временному сопротивлению сжатию до насыщения образца водой Rсж.с:


Коэффициент размягчаемости выражают в долях единицы и вычисляют с точностью до 0,1. Для пород скальных водоустойчивых он обычно не ниже 0,9, у пород с пониженной водоустойчивостью он равен 0,7—0,8, У полускальных — известняков и глинистых песчаников, мергелей, аргиллитов и других пород — коэффициент размягчаемости небольшой, меньше 0,5. При насыщении водой они часто расслаиваются или распадаются на обломки и испытать их на сжатие не представляется возможным. Коэффициент размягчаемости таких пород равен нулю и характеризует их как практически водонеустойчивые.

Явление размягчения связано с тем, что при насыщении горных пород водой они испытывают сильный скоростной напор, который вызывает внутренние напряжения и уменьшает их механическую прочность. Влага, проникая в микротрещины и поры, оказывает также разрушающее действие под влиянием расклинивающего давления тонких пленок, которое может достигать десятков мегапаскалей и быть больше прочности породы на разрыв. В осадочных породах вода размягчает и растворяет цементирующее вещество, это также сказывается на уменьшении их прочности.

Большинство осадочных пород при увлажнении или насыщении водой способно в той или иной степени изменять объем. Изменение объема пород в их поверхностной и внутренней частях неодинаково вследствие неодинакового увлажнения. Поэтому в них возникают напряжения, вызывающие расширение существующих микротрещин, образуются новые и как результат снижается их прочность. Многократные насыщения и последующие высушивания создают «усталость» пород от повторяющихся внутренних напряжений, а также сказываются на их водоустойчивости и прочности. Известное уменьшение прочности после насыщения водой наблюдается у всех типов пород и характеризует ту пли иную степень их водоустойчивости. Как правило, чем ниже пористость пород, тем выше их водоустойчивость.

Характерным и своеобразным признаком водоустойчивости, т. е. способности сохранять свое состояние и прочность при изменении влажностного режима, для многих полускальных горных пород является склонность их к усадке — к уменьшению объема при высыхании на воздухе — при аэрации. Усадка вызывает внутренние напряжения в породе и как следствие ее разрушение — растрескивание, расслаивание, шелушение и т.д. Такие явления очень часто наблюдаются при вскрытии пород выемками, котлованами, подземными выработками, при извлечении пород на поверхность из скважин и т. д.

Влагоемкость. Влагоемкость горных пород — это способность их поглощать и удерживать определенное количество воды. Скальные породы невлагоемки, полускальные обычно слабовлагоемки и только некоторые из них средневлагоемкие. Тем не менее при оценке физико-механических свойств скальных и полускальных горных пород определение их влагоемкости необходимо, так как она позволяет судить об их пористости (открытая пористость — пористость насыщения), размягчаемости и главным образом морозостойкости.

Выше уже отмечалось, что при замерзании воды и превращении в лед ее объем увеличивается и создает давление на стенки трещин и пор силой, превышающей прочность пород на разрыв, даже прочных. Многократное замерзание и оттаивание воды в порах оказывают большое влияние на их сохранность и прочность. Поэтому, хотя скальные и полускальные породы в общем слабовлагоемки, способность их поглощать небольшое количество воды все же имеет практическое значение для косвенной оценки их морозостойкости. При исследовании влагоемкости скальных и полускальных горных пород определяют их водопоглощение Wп, водонасыщение Wн и коэффициент водонасыщения Kн.

Под водопоглощением понимается способность породы поглощать (впитывать) воду при погружении в нее в обычных условиях, т. е. при атмосферном давлении и комнатной температуре. Количественно водопоглощение характеризуется отношением поглощенной воды к массе абсолютно сухой породы, т. е.


Водопоглощение выражают в долях единицы или в процентах от массы абсолютно сухой породы.

Под водонасыщением понимается способность породы поглощать (впитывать) воду при погружении в нее в особых условиях — под вакуумом, при повышенном давлении или при кипячении, т. е. способность породы впитывать максимальное количество воды (табл. III-7). Водонасыщение всегда больше водопоглощения, так как при насыщении пород в особых условиях воздух и газы в микротрещинах и порах меньше мешают проникновению в них воды. Водонасыщением обычно определяют открытую пористость породы. Отношение водопоглощения к водонасыщению называют коэффициентом водонасыщения породы.


Если коэффициент водонасыщения больше 0,8, то такие породы считают морозонестойкими,

Водопроницаемость. Водопроницаемостью горных пород называется их свойство пропускать через себя воду при наличии напора. В гидрогеологии и нефтяной геологии часто говорят не о водопроницаемости, а просто о проницаемости пород, под которой понимают их свойство пропускать через себя жидкости (флюиды) или газы при наличии перепада давления, т. е. напора. В инженерной геологии наибольшее практическое значение имеет водопроницаемость горных пород.
Скальные породы проницаемы только по трещинам. В полускальных породах движение воды происходит как по трещинам, карстовым полостям и другим сверхкапиллярным пустотам, так и отчасти при соответствующих напорах по микротрещинам и порам. Общая водопроницаемость любых горных пород тем больше, чем больше их скважность и больше размеры пустот и трещин, ее определяющих. Она зависит также от напора, под влиянием которого осуществляется движение воды. При небольших напорах горные породы могут не пропускать через себя воду, а при больших могут оказаться в некоторой степени водопроницаемыми.

Водопроницаемыми следует считать такие горные породы, которые при реально существующих или проектируемых напорах пропускают или будут пропускать воду. К водонепроницаемым породам следует относить такие, которые при действующих напорах не пропускают воду. Скорость движения воды через горные породы в некоторой степени зависит также от ее температуры, так как с повышением температуры уменьшается вязкость воды и повышается ее подвижность. При оценке проницаемости горных пород для нефти и некоторых других жидкостей (например, глинистых растворов и др.) учет их вязкости имеет большое значение.

Следовательно, водопроницаемость горных пород зависит от их свойств (скважность и размер пустот), гидрогеологических условий (действующий напор) и свойств воды (вязкость). Мерой водопроницаемости горных пород служит коэффициент фильтрации Кф, который является показателем их способности пропускать через себя воду в большем или меньшем количестве в единицу времени с большей или меньшей скоростью. В соответствии с этим используют два различных значения для выражения коэффициента фильтрации — объемное и скоростное. Первое значение (объемное) показывает количество воды Q, протекающее в единицу времени через сечение породы F


при F=1 и I=1 Кф = Q, м3/сут, см3/сут.

Второе значение (скоростное) показывает скорость v движения воды при градиенте, равном единице,


при I = 1 Kф = v, м/сут, см/сут.

В инженерно-геологической и гидрогеологической практике пользуются главным образом скоростным значением коэффициента фильтрации. Ориентировочно степень водопроницаемого горных пород характеризуется данными, приведенными в табл. II-16.

Проницаемость подсчитывают по формуле


где Kп — коэффициент проницаемости, 1,02*10в-15 м2; Q — количество жидкости, профильтровавшейся через породу за 1 с, см3; l — длина пути фильтрации, см; n — вязкость жидкости при температуре опыта, п; F — площадь поперечного сечения, см2; р1—р2 — перепад давления, напор, Па, МПа; t — время, с.

Коэффициент фильтрации Кф и коэффициент проницаемости Кп связаны между собой следующей зависимостью:


где уж — плотность жидкости.

Так как при определении коэффициента проницаемости учитываются свойства жидкости, результаты его определения не должны зависеть от того, какая однородная жидкость или газ (вода, нефть, воздух и т. д.) пропускались через горную породу.

Горные породы, проницаемость которых измеряется n*1,02*10в-12 м2, обладают хорошей проницаемостью, десятыми или сотыми долями — средней проницаемостью, тысячными долями этих значений — плохой проницаемостью. Для воды приближенно можно считать, что проницаемость горных пород в 1,02 мм2 соответствует коэффициенту фильтрации 1 м/сут.

Для сравнительной оценки водопроницаемости и, следовательно, трещиноватости и закарстованности скальных и полускальных горных пород в условиях их естественного залегания широко используется метод опытных наливов и нагнетании воды в скважины п горные выработки. Показателем водопроницаемости пород в этом случае является удельное водопоглощение со, измеряемое в литрах в минуту. Примерные значения удельного водопоглощения для пород различной степени водопроницаемости и трещиноватости приведены в табл. II-16.

Как уже было отмечено выше, данные о водопроницаемости горных пород имеют исключительно важное практическое значение при решении различных инженерно-геологических задач. Коэффициент фильтрации является основной характеристикой при расчетах фильтрации, водопритоков, водопонижений, дренажей, прогноза формирования зоны подтопления, прогноза осадок сооружений во времени и др.

Удельное водопоглощение наряду с коэффициентом фильтрации широко используется при выборе места расположения плотин, для оценки возможных потерь воды на фильтрацию в обход плотины, степени трещиноватости и закарстованности горных пород, для доказательства необходимости сооружения противофильтрационных завес, для определения глубины их врезки, проверки качества цементационных работ и других целей. Коэффициент проницаемости является одной из характеристик, используемых при оценке коллекторских свойств горных пород, их водо- нефте- и газоотдачи и др. Поэтому при изучении водных свойств горных пород как в лабораторных, так и в полевых условиях определение их водопроницаемости (а в некоторых случаях и проницаемости) имеет массовый характер.