ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
Аннотация: Горная порода — это природное образование, агрегат минералов более или менее постоянного состава, слагающий самостоятельные геологические тела. Если минерал — химическое соединение элементов, то горная порода — механическое соединение минералов. Горная порода может состоять из кристаллических, аморфных, жидких и газообразных минералов.
Ключевые слова: горные породы, рыхлые,твердые,крситалическая
План:
1.Структура горных пород
2.Текстура горных пород
Горная порода — это природное образование, агрегат минералов более или менее постоянного состава, слагающий самостоятельные геологические тела. Если минерал — химическое соединение элементов, то горная порода — механическое соединение минералов. Горная порода может состоять из кристаллических, аморфных, жидких и газообразных минералов.
Свойства пород в первую очередь зависят от их минерального состава и макростроения (структурно-текстурных признаков). Содержание в породе различных минералов, выраженное в процентах, называется ее количественным минеральным составом и является одним из основных определяющих ее признаков.
В зависимости от характера связей отдельных зерен различают следующие типы пород:
рыхлые (раздельно-зернистые) породы — механические смеси различных минералов или зерен одного минерала, не связанных между собой, например песок, гравий, галечник;
связные (глинистые) породы — породы с водно-коллоидными связями частиц между собой; например глины, суглинки, бокситы; их отличительной особенностью является высокая пластичность при насыщении водой;
твердые (скальные и полускальные) породы — породы с жесткой, упругой связью между частицами минералов, например песчаники, граниты, диабазы, гнейсы; связи между минеральными зернами скальных пород наиболее прочны.
Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура.
|
Структура |
|
|
Кристаллическая: грубо - и крупнозернистая |
Порода целиком состоит из кристаллических зерен; размер зерен 0,5- 5 мм |
|
среднезернистая |
Размер зерен до 0,5 мм |
|
мелкозернистая |
Размер зерен менее 0,25 мм |
|
афанитовая |
Зерна различимы лишь в лупу |
|
Скрытокристаллическая |
Кристаллы не видны даже при увеличении |
|
Стекловатая |
Сплошная стекловатая масса |
|
Порфировая |
В общую стекловатую или кристаллическую массу вкраплены крупные зерна |
|
Обломочная |
Породы сцементированы из обломков |
|
Текстура |
|
|
Массивная |
Частицы породы не ориентированы, плотно прилегают друг к другу |
|
Пористая |
Частицы породы не плотно прилегают друг к другу, образуя большое число микропустот |
|
Слоистая |
Частицы породы чередуются, образуя слои и напластования |
Если название породы обычно дает общее представление о ее минеральном составе и строении[1], то судить о свойствах пород, основываясь, лишь на их названии, можно только весьма приближенно. Только изучение минерального состава и строения конкретных пород дает возможность прогнозировать их физико-технические характеристики.
Как минеральный состав, так и строение горных пород определяются их генезисом и воздействием различных внешних факторов движением земной коры, деятельностью ветра и воды, давлением, температурными колебаниями) в течение всего периода их существования.
Магматические породы (гранит, сиенит, дунит, габбро, базальт, диорит) по содержанию кремнезема (SiO2) условно подразделяются на кислые (> 65%), средние (52 - 65%), основные (52 - 40%) и ультраосновные (<40%). Наиболее распространенными кислыми породами являются гранит, липарит, кварцевый порфир; средними — диорит, андезит, сиенит, трахит; основными — габбро, базальт; ультраосновными — перидотит, пироксенит, дунит.
Осадочные породы — породы, возникшие путем отложения (механического, химического или органического) из воды или воздуха продуктов разрушения магматических и метаморфических пород (известняки, песчаники, трепела, ископаемые угли, осадочные железные руды и др.).
Метаморфические породы — породы, возникшие в результате преобразования магматических или осадочных пород под воздействием высоких давлений, температур и горячих газоводяных растворов (кварцит, кристаллические сланцы, гнейсы, мрамор).
Каждой генетической группе свойствен определенный ряд минералов. Для магматических пород характерны лейцит, нефелин, анортоклаз, оливин; для метаморфических — гранаты, тальк, серпентин; для осадочных — кальцит, гипс, доломит, галоидные соединения, каолинит и др.
Условия образования горных обуславливает их строение. Например, в магматических породах крупность кристаллов, их форма, наличие или отсутствие стекловатой массы обусловлены давлением и скоростью затвердевания магмы.
В осадочных породах слоистость и пористость, а также способ цементации обломочного материала определяется условиями накопления осадков.
В метаморфических породах степень метаморфизации пород их перекристаллизацию и, следовательно, строение (сланцеватость, пористость, зернистость) определяют температура и состав горячих растворов, давление, его характер и длительность воздействия.
В магматических породах практически отсутствует слоистость, в то время как в осадочных толщах слоистость является одним из основных признаков строения.
Отличительной особенностью горных пород является их многоагрегатность, так как поры и трещины пород в естественных условиях обычно заполнены газами, жидкостью или инородными породами, что предопределяет изменение физических характеристик породы в широких пределах.
Характерными многоагрегатными представителями являются ископаемые угли (органогенные горные породы), и представляющие собой аморфную массу, являющуюся механической смесью или твердым раствором различных органических компонентов с включением неорганических примесей[2].
Общая пористость пород Р количественно выражается через объем всех пор VП в долях единицы (часто в процентах) от общего объема породы (V0 + VП ).
Отношение объема пор к объему минерального скелета V0 породы называется коэффициентом пористости kп
, следовательно 
Поры в горных породах по происхождению делятся на первичные, формирующиеся при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате различных процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т. п.
Поры по величине подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк) и сверхкапиллярные (более 100 мк). Принято выделять и рассматривать отдельно такие пустоты в породах, как трещины и каверны.
По форме поры могут быть самого различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т. п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы.
Часто поры могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открытой (эффективной) пористостью. При этом Рэф < Р.
Пористость горных пород изменяется в значительных пределах — от долей процента до 90%. Высокой пористостью обладают осадочные породы, а магматические породы имеют незначительную пористость. Исключение составляют изверженные разности пород, такие, как туфолавы, трахит (Р = 55 - 60%). Выветрившиеся магматические породы также имеют высокую пористость.
Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагающих породу, от степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности.
Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с окатанными зернами, наибольшей - с угловатыми плоскими зернами. На величину пористости существенно влияет взаимное расположение зерен.
У равномернозернистых пород пористость больше, чем у неравномернозернистых, поскольку промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими частицами; пористость сцементированных пород тем меньше, чем больше цементирующего материала заполняет промежутки между частицами и чем плотнее сам цемент.
Пористость снижается с увеличением глубины залегания, так как в результате давления происходит уплотнение горных пород.
Плотность пород
Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) породы называется плотностью породы δ0.
Плотность минералов зависит от их химического состава и структуры. Они делятся на тяжелые (δ0 > 4 г/см3), средние (δ0= 4 - 2,5 г/см3) и легкие (δ0 < 2,5 г/см3); 13% всех минералов относятся к легким, 33,8% — к тяжелым, 53,2% — к средним.
Плотность горных пород определяется плотностью слагающих минералов δ0i и может быть рассчитана по формуле
где n - число минералов, слагающих породу; Vi — доля объема, занимаемого каждым минералом.
Масса единицы объема породы в ее естественном состоянии отличается от массы той же единицы объема, заполненного только твердой фазой породы; такое отличие обусловлено в первую очередь пористостью породы.
Поэтому в горном деле наряду с плотностью широко пользуются понятием объемной плотности δ. Объемной плотностью называется масса единицы объема породы при данной пористости в ее естественном состоянии. Плотность пород всегда больше их объемной плотности.
Связь между объемной плотностью и плотностью выражается через пористость:
δ = δ0(1 - Р); δ0 = δ(1 + kп ),
где Р — пористость в долях единицы.
Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, ее объемная плотность в основном зависит от пористости[3].
Объемная плотность малопористых пород в основном зависит от их минерального состава[4].
Объемная плотность большинства пород колеблется от 1,5 до 3,5 г/см3. Большой объемной плотностью обладают рудные полезные ископаемые, так как в их состав в значительном количестве входят тяжелые рудные минералы (гематит, магнезит, сидерит, киноварь).
Низкую объемную плотность имеют гидрохимические осадки — гипс (объемная плотность 2,3 г/см3), каменная соль (2,1 г/см3). Весьма низкими значениями объемной плотности (0,72—2,0 г/см3) обладают каменные угли и торф. Объемная плотность углей определяется их пористостью, содержанием углерода и наличием минеральных примесей. Так как углерод имеет плотность 2,3 г/см3, увеличение степени углефикации приводит к росту объемной плотности углей. Этому способствует также тот фактор, что при переходе к более метаморфизованным углям (бурые угли — газовые угли — антрацит) наблюдается снижение пористости.
Повышенные значения объемной плотности углей одной степени метаморфизации указывают на увеличение в углях минеральных примесей и зольности, поскольку примеси имеют большие значения плотности, чем углерод.
Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом γ0 породы, а вес единицы объема породы в естественном состоянии — объемным весом γ. Удельный вес породы и ее плотность связаны соотношением
γ0 =g δ0
где g — ускорение силы тяжести.
Рис. 1. Изменение плотности магматических пород в зависимости от минерального состава
На практике иногда пользуются коэффициентом плотности kпл — отношением объемного веса пород к удельному весу (или отношением соответствующих плотностей), характеризующим степень заполнения объема горной породы минеральным веществом:
Трещиноватость пород
Трещиной называют плоский разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке (10-10 м). Разрывы сплошности, заполненные материалом, отличающимся по своим свойствам от основной среды, также относятся к трещинам.
Трещиноватость массива горных пород — одна из важнейших характеристик, влияющая практически на все процессы горного производства.
В зависимости от размеров трещины бывают трех порядков (табл. 1).
Трещины первого порядка - представлены внутрикристаллическими дефектами и трещинами. Размеры этих трещин колеблются от 10-9 до 10-5 м. Образуются в результате сложения кристаллов минерала отдельными блоками, которые смещены друг относительно друга. Это обуславливает мозаическую структуру кристалла с присущими ей внутрикристаллическими дефектами и трещинами.
Трещины второго порядка - представлены трещинами, находящимися между самими кристаллами, а также трещинами в межкристаллитном цементе. Размеры этих трещин имеют тот же порядок, что и размеры слагающих породу кристаллов, а величина раскрытия может достигать 0,1 мм и более.
Трещины первых двух порядков возникают в основном в процессе диагенеза осадков[5] или кристаллизации магмы, их ориентирование в общем случае хаотично.
Эти трещины определяют сопротивляемость пород процессам бурения, измельчения в дробилках, выемке многочерпаковыми экскаваторами и комбайнами. Решающее влияние при этом оказывают трещины второго порядка. Они же до некоторой степени определяют эффективность выемки пород одноковшовыми экскаваторами и процессов механического и взрывного рыхления.
Трещины третьего порядка - трещины, возникающие в процессах метаморфизации пород за счет потери воды и летучих веществ, а также в процессе остывания за счет уменьшения объема пород. Эти трещины тесно связаны с отдельными пластами, потоками лав или интрузиями[6]. К этому порядку относятся тектонические трещины, развивающиеся в горных породах под воздействием тектонических сил, проявляющихся в земной коре в процессе ее развития. В их число входят трещины отрыва и скалывания, а также кливаж[7].
Тектонические трещины обычно образуют четко выраженные системы двух почти взаимно перпендикулярных крутопадающих рядов трещин, секущих пласты пород независимо от их состава и возраста.
К трещинам третьего порядка относят искусственные трещины, появляющиеся в породах при ведении горных работ.
К перечисленным видам трещин на обнажениях добавляются трещины выветривания, которые развиваются на глубину от 2 до 10 м по уже имеющимся трещинам или по нетронутому массиву.
Все трещины третьего порядка имеют значительное простирание, измеряемое сантиметрами, метрами и даже километрами.
По степени проявления трещины третьего порядка делятся на открытые, закрытые и скрытые. Эти трещины могут заполняться другими породами, продуктами выветривания, водой и нефтью или же оставаться незаполненными.
Характерной особенностью трещин третьего порядка является то, что они, пересекаясь, делят породы на отдельности более или менее правильной формы. Эти трещины оказывают наиболее существенное влияние на процессы разрушения пород при их выемке и рыхлении, при сдвижениях, оползнях и обвалах.
Наряду с размерами и густотой трещин большую роль играет и характер сети трещин в уступе — имеют ли они одно направление или составляют системы взаимно пересекающихся трещин.
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 смачиваемости пород. Смачиваемость — способность горной породы покрываться пленкой жидкости[8].
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[9]. Максимальная гигроскопичность wг — наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.
Молекулярная (или пленочная) влагоемкостъ wм — количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:
где Gм — вес влажного образца породы; Gс — 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 Gп — вес породы, максимально насыщенной жидкостью; Gс — вес образца породы, высушенного при температуре 105—110° С; Vж — объем жидкости, заполняющей породу (Vж ≈ Gп - Gс ); Vп — 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 wе, равном относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщения kвн, указывающим на степень насыщения породы водой:
.
Если we заменить w'п, а wп — 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 = wп - wм
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.
Рекомендуемая литература
1. Ерофеев Л. Я., Вахромеев Г. С., Зинченко В. С., Номоконова Г. Г. Физика горных пород: учебник для вузов / под ред. Л. Я. Ерофеева. — Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2006. — 520 с.
2. Болотнев А. Ю., Авдеев А. Н., Сосновская Е. Л. Физика горных пород: учебное пособие: в 2 частях. — Иркутск: Изд-во Иркутского национального исследовательского технического университета, 2021. — Ч. 1. — 112 с.
3. Добрынин В. М. Петрофизика: учебник для геофизических специальностей вузов.
Дополнительная:
4. Сергеев Е. М. (ред.). Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород: в 2-х томах. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1984. — Т. 1. — 423 с.
5. Марков С. И., Штанько Е. И., Кутищева А. Ю. Многомасштабный численный метод определения физических свойств образцов горных пород по томографическим данным // Математическое моделирование. — 2025. — Т. 37, № 4. — С. 3–17.
6. ГОСТ Р 72300-2025. Породы горные. Определение открытой пористости газоволюметрическим методом.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение горной породы. Чем горная порода отличается от минерала?
2. На какие основные типы делятся породы в зависимости от характера связей между отдельными зёрнами? Приведите примеры.
3. Что такое структура горной породы? Перечислите основные типы структур.
4. Что такое текстура горной породы? Назовите основные типы текстур.
5. Как минеральный состав и строение пород связаны с их генезисом (происхождением)?
6. Какие породы относятся к магматическим, осадочным и метаморфическим? В чём их принципиальные отличия?
7. Дайте определение общей пористости и коэффициента пористости. Запишите формулы для их расчёта.
8. Как классифицируются поры по происхождению (первичные и вторичные)?
9. На какие группы делятся поры по величине (субкапиллярные, капиллярные, сверхкапиллярные)? Каковы их примерные размеры?
10. Чем открытая (эффективная) пористость отличается от общей?
11. От каких факторов зависит величина пористости горных пород (форма и размеры зёрен, отсортированность, цементация, глубина залегания)?
12. Какие горные породы обладают наибольшей, а какие — наименьшей пористостью?
13. Дайте определение плотности минерального скелета (δ₀) и объёмной плотности (δ) породы. В чём их различие?
14. Запишите формулу связи объёмной плотности с плотностью минерального скелета и пористостью.
15. От чего зависит объёмная плотность пород? Приведите примеры пород с высокой и низкой объёмной плотностью.
16. Что такое трещиноватость горных пород и на какие три порядка делятся трещины по размерам?
17. Охарактеризуйте трещины первого, второго и третьего порядка. Какие из них оказывают наиболее существенное влияние на процессы разрушения пород?
18. Какие виды воды содержатся в горных породах? Дайте характеристику химически связанной, физически связанной и свободной воды.
19. Что такое смачиваемость пород? Какие породы называют гидрофильными, а какие — гидрофобными?
20. Что характеризует максимальная гигроскопичность и молекулярная (пленочная) влагоёмкость породы?
21. В чём отличие капиллярной воды от гравитационной?
22. Что такое полная влагоёмкость породы? Как она связана с пористостью?
23. Дайте определение естественной влажности и коэффициента водонасыщения породы.
24. Что такое водоотдача породы и от каких факторов она зависит?