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[9] 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[10]. 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[11].

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 воданаряду 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 водатесно 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[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%.