ГлавнаяФизические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т. е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, консистенции, трещиноватости, закарстованности и выветрелости в условиях естественного залегания. Плотность, влажность, пористость и консистенция характеризуют также состояние пород в земляных сооружениях и отвалах. Данные о физических свойствах горных пород позволяют качественно оценивать их прочность и устойчивость.
Водные свойства горных пород проявляются в их способности изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой, поглощать и удерживать воду или фильтровать ее. Зная водные свойства горных пород, можно прогнозировать изменения их прочности и других свойств, а также развитие каких-либо геологических процессов. Некоторые показатели водных свойств пород непосредственно используются при различных инженерных расчетах, например при расчетах потерь воды на фильтрацию, притока воды к строительным котлованам и водозаборам, параметров водопонизительных установок, для оценки возможности развития суффозионных процессов и др.
Механические свойства определяют поведение горных пород при воздействии на них внешних усилий — нагрузок. Эти свойства позволяют непосредственно оценивать прочность и деформируемость горных пород. Показатели механических свойств горных пород используются при различных инженерных расчетах, например при расчете осадок сооружений по величине и во времени, устойчивости откосов и естественных склонов, при определении давления горных пород на подпорные сооружения или крепи подземных выработок и т. д.
Исследования физико-механических свойств горных пород имеют не только инженерное значение, но и общее геологическое, они позволяют в целом расширить их геологическую изученность. Физико-механические свойства отражают те изменения, которые горные породы претерпели в истории их геологического развития под влиянием процессов выветривания, гравитационного и геохимического уплотнения, тектонических сил и т. д. Они контролируют локализацию оруденения горных пород или распространение в них полезных ископаемых.
Прежде чем перейти к рассмотрению физико-механических свойств скальных и полускальных горных пород, необходимо обратить внимание на особенности их строения. В объеме любой горной породы (рис. III-1) выделяется объем минеральной части — ее скелет V1 и объем пор, пустот, каверн, трещин и других полостей V2, частично или полностью заполненных воздухом, газами или водой. Общий объем всех пустот в породе определяет ее скважность, а пустоты, имеющие капиллярные (диаметр пор <1 мм, ширина трещин <0,25 мм) пли субкапиллярные размеры (диаметр пор <0,0002 мм, ширина трещин <0,0001 мм), выражают их пористость.Важно заметить, что пористость в горных породах распределена более или менее равномерно, т. е. в каждой точке участка, зоны, слоя или толщи они обязательно обладают той или иной пористостью, тогда как другие виды пустот — трещины и каверны — распределены неравномерно: в одном месте они могут быть, в другом могут отсутствовать. У скальных и отчасти у полускальных горных пород пористость в общем не нарушает их монолитности, она примерно одинакова и в образце, и в условиях естественного залегания пород. С увеличением пористости пород снижаются их прочность и устойчивость, повышаются влагоемкость и способность к деформациям. Пустоты крупных размеров обычно всегда нарушают массивность, монолитность пород, а трещины обусловливают расчленение их на отдельности различных размеров и формы. На рис. III-1 видно, что пористость у скальных пород по сравнению с другими ничтожно мала, у полускальных она больше, так как последние характеризуются иными структурными и текстурными особенностями, большей выветрелостью и трещиноватостью.
Скелет скальных и полускальных пород состоит из кристаллов минералов, их обломков, а также из обломков пород и органических остатков. Эти составные части можно рассматривать как определенные структурные элементы, которые в скальных и полускальных горных породах соединены между собой структурными связями. В магматических, метаморфических и осадочных хемогенных породах эти связи возникают в процессе кристаллизации и перекристаллизации составных частей породы— минералов, в осадочных — при цементации, в результате твердения вязких веществ, образующих пленки на поверхности частиц или заполняющих поры между ними, при кристаллизации солей, выпадающих при определенных условиях из водных растворов, пропитывающих породу, или при перекристаллизации слагающих ее минералов. В уплотненных глинистых породах, приближающихся по своей плотности и свойствам к полускальным породам, структурные связи могут быть обусловлены кроме цементации также силами молекулярного притяжения (ван-дер-ваальсовы силы).Следовательно, в скальных и полускальных горных породах структурные связи могут быть главным образом конденсационно-кристаллизационными или просто кристаллизационными, или цементационными. Как в первом, так и во втором случаях они возникают в результате взаимодействия между нонами или атомами кристаллов минералов, между ионами, атомами и молекулами кристаллов минералов и цементирующего вещества породы. Поэтому с точки зрения физической природы эти связи можно рассматривать как результат взаимодействия ионов, атомов н молекул, составляющих породы (табл. III-1), т. е. по своей природе они не отличаются от связей, действующих внутри кристаллов минералов, слагающих горные породы.
Структурные связи оказывают большое влияние на свойства скальных и полускальных горных пород. Прочность и устойчивость их зависят не только от прочности кристаллов минералов, обломков минералов и пород, но также и от прочности и устойчивости структурных связен. Последние могут иметь прочность выше или ниже прочности элементов, составляющих породу; быть водоустойчивыми или водонеустойчивыми; значительно сопротивляться воздействию агентов выветривания или быть в этом отношении слабыми.
Прочность структурных связей зависит от сил взаимодействия непосредственно между кристаллами минералов, а также между кристаллами, обломками и цементом, т. е. от взаимодействия межатомных сил в местах контактов различных фаз. В скальных и полускальных породах Энергия связи в таких контактах велика, по изменчива. В полнокристаллических равномерно-мелкозернистых и среднезернистых породах общая площадь контактов велика, а межатомные расстояния и силы между кристаллами равны таковым внутри кристаллов. Поэтому прочность структурных связей в таких породах особенно высока и может быть даже выше прочности самих кристаллов, что объясняется наличием в них спайности и дефектов в кристаллической решетке. В крупнозернистых и неравномернозернистых породах, а также в осадочных сцементированных общая площадь контактов может быть мала, а межатомные расстояния и силы изменчивы в связи с неровностями поверхности кристаллов и обломков, различными их размерами и степенью кристалличности, гидратированностью цемента и т. д. Поэтому прочность структурных связей в таких породах может быть относительно понижена.
Скальные и полускальные породы благодаря структурным связям являются монолитными и характеризуются высокой и сравнительно высокой прочностью и твердостью. Однако структурные связи в этих породах необратимы. Если монолит таких пород нарушен выветриванием, трещиноватостью и т. д., структурные связи, как правило, не восстанавливаются, прочность и устойчивость пород нарушаются, а деформационные способности резко повышаются. В истории геологического развития того или иного участка земной коры лишь в редких случаях вторичные процессы цементации могут восстановить монолитность породы и их прежнюю прочность.
Эти особенности скальных и полускальных горных пород существенно отличают их от других типов пород, и поэтому их необходимо учитывать при изучении физико-механических свойств.