Жидкость и газ как фазовые компоненты представлены во всех горных породах. В массивах жидкость и газ могут находиться в статическом и динамическом состояниях. В последнем случае движение этих компонентов и взаимодействие их с минеральным скелетом породы в значительной мере определяют структуру порового пространства пород особенно вблизи обнажений массивов и в местах их контактов; устойчивость выработок как при ведении горных работ на дневной поверхности, так и подземным способом.

В горных породах жидкость представлена двумя видами: водой и углеводородами. В свою очередь и вода и углеводороды представляют собой многокомпонентные системы.

Вода содержит газы (углекислый газ, сероводород, метан и др.), количество которых в воде определяется как самими породами, так и условиями их залегания, в основном, температурой и давлением.

Вода в твердом состоянии представлена в виде льда, заключенного в мерзлых и многолетнемерзлых породах, может перемещаться по породе как пластичное тело или как жидкость и газ.

Вода в виде пара занимает часть порового пространства, свободного от жидкой воды, и характерна для горных пород, залегающих в непосредственной близости от дневной поверхности или поверхностей горных выработок. Содержание пара в породах обычно не превышает 10^-5 от массы пробы.

Конституционная вода образуется из входящих в кристаллическую решетку минералов ионов  (минералы – кислые соли сильных оснований) или (минералы – основные соли слабых оснований). Температура выделения конституционной воды из ионов  не превышает 300 ⁰С, из ионов  лежит в пределах 300…1300 ⁰С. Преобладающими минералами являются основные соли слабых оснований. Так для гидроаргиллита процесс образования конституционной воды описывается уравнением .

Кристаллизационная вода образуется из молекул воды, входящих в кристаллическую решетку минералов – кристаллогидратов анионного типа (соли сильных оснований и слабых кислот, например, сода - ) или кристаллогидратов катионного типа (соли слабых оснований и сильных кислот, например, гипс - ). Температура выделения кристаллизационной воды в большинстве случаев не превышает 300 ⁰С.

Выделение конституционной или кристаллизационной воды из минералов приводит к их разрушению.

Цеолитная вода так же, как и кристаллизационная вода входит в кристаллическую решетку в виде молекул воды, но отношение числа молекул воды к числу молекул безводного минерала может быть произвольным. Типичным минералом, содержащим цеолитную воду, является опал - ( ). Температурный диапазон выделения цеолитной воды достаточно широк (начало 80…120 ⁰С, конец около 400 ⁰С).

Физически связанная вода (адсорбированная; гигроскопическая; прочносвязанная; горной породы, находящейся в воздушно-сухом состоянии) локализуется на поверхности частиц породы и удерживается под действием межмолекулярных сил, а при образовании сопровождается заметным энергетическим эффектом, называемым теплотой смачивания. Так, теплота смачивания глин лежит в пределах 10…50 кДж/кг. В породе физически связанная вода перемещается лишь, переходя в газообразное состояние. Содержание физически связанной воды в породе зависит от размера частиц породы и может изменяться в широких пределах: от сотых долей процента в мелком кварцевом песке до десятков процентов в глинах. Физически связанная вода удаляется при нагревания породы до 105…110 ⁰С.

Пленочная вода (рыхлосвязанная) образуется вслед за физически связанной водой (т.е. выше уровня гигроскопичности породы) и представляет собой полислои воды, образующиеся вокруг физически связанной водой. При образовании пленочной воды теплота смачивания не выделяется. Пленочная вода по своим свойствам практически ничем не отличается от обычной воды. Пленочная вода перемещается от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой, не подчиняясь закону гравитации.

Капиллярная вода обусловлена наличием протяженных пор малого размера в поперечном сечении в горных породах. За счет явления поверхностного натяжения капиллярная вода может подниматься существенно выше уровня грунтовых вод. По возможности проявления капиллярного эффекта поры практически цилиндрической формы классифицируют следующим образом: сверхкапиллярные (диаметр 0,1…1 мм и выше), капиллярные (0,210^-3…0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,210^-3 мм). Вода в сверхкапиллярных порах перемещается, в основном, под действием силы тяжести. В капиллярных порах движение воды происходит под действием силы поверхностного натяжения до момента уравновешивания ее силой тяжести. В сверхкапиллярных порах перемещение воды практически не происходит.

Высоту капиллярного подъема воды для абсолютно смачиваемых частиц породы можно оценить по формуле Жюрена (для нормальных условий)

                                                              (4.1)

где d – диаметр капилляра (d и Н в мм).

Свойства пленочной или капиллярной воды необходимо учитывать при проведении рекультивационных мероприятий, для защиты от пыления пространств вблизи открытых горных выработок и хвостохранилищ.

Гравитационная вода не связана с поверхностью частиц силами поверхностного натяжения и потому свободно перемещается в массиве под действием силы тяжести и гидростатического давления. За счет гравитационной воды происходит обводнение месторождений – водоприток в выработанное пространство. Гравитационная вода в заметной степени обладает растворяющей способностью, особенно, если в ней содержатся растворенные газы. Так выщелачивающая агрессивность воды связана с ионами - ; сульфатная (кислотная) агрессивность – с ионами - ; общекислотная – сочетанием ионов  и ; магнезиальная - сочетанием ионов  и .

4.1. Характеристики статического состояния воды в породах. Влажность и методы ее определения

Под влажностью понимают способность горной породы содержать при стандартных условиях массовую долю физически связанной и свободной воды.

Поскольку между физически связанной и свободной водой не существует резкой границы, то принято считать, что свободная вода – это та вода, которая удаляется из породы при нагревании до температур ниже 105 ⁰С. О физически связанной воде судят по изменению массы породы при прогревании ее в течение определенного времени при температурах 105…110 ⁰С.

По типу определяемой влаги существующие стандарты условно можно поделить на три группы:

· Гигроскопическая влага. ГОСТ 8719-90 «Угли бурые, каменные и антрацит…», ГОСТ 23581.1-79 «Руды железные, концентраты, агломераты и окатыши…», ГОСТ 22772.1-96 «Руды марганцевые, концентраты и агломераты», ГОСТ 15848.21-90 «Руды хромовые и концентраты…», ГОСТ 18262.1-88 «Руды титаномагнетитовые, концентраты, агломераты и окатыши железованадиевые…» и др.;

· Общая влага. ГОСТ 11014-2001 «Угли бурые… Ускоренные методы определения влаги», ГОСТ 29085-91 «Угли бурые и лигниты…», ГОСТ 12764-73 «Руды железные…», ГОСТ 14657.10-96 «Боксит…», ГОСТ 23673.5-79 «Доломит для стекольной промышленности…», ГОСТ 5180-84, ГОСТ 8269.0-97 и др.;

· Химически связанная влага (потеря массы образцов пород при прокаливании). ГОСТ 23581.12-79 «Руды железные…», ГОСТ 14657.1-96 «Боксит…», ГОСТ 23673.6-79 «Доломит…» и др.

Гигроскопическая влага (максимальная гигроскопическая влагоемкость, максимальная гигроскопичность) – максимальная массовая доля воды, поглощаемой породой из воздуха.

 Гигроскопичность является характеристикой абсорбционных свойств породы и определяется при воздушно-сухом состоянии породы, т.е. в состоянии термодинамического равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха. Считается, что гигроскопическая влага, как и физически связанная вода, полностью удаляется из породы при температуре 105…110 ⁰С.

Общая влага (полная влагоемкость) – максимальная массовая доля свободной и физически связанной воды, которую способна вместить порода.

Химически связанная влага (потеря массы при прокаливании) – массовая доля воды, которая еще может быть удалена после удаления физически связанной воды.

Химически связанная влага определяется при прокаливании образцов породы, как правило, при температуре 1000 ⁰С.

Общую влагу и химически связанную влагу устанавливают дифференцированно с гигроскопической влагой.

Потеря массы образцов пород при прокаливании их при высоких температурах связана не только с выделением воды за счет диссоциации гидрокислов металлов, но с образованием летучих соединений в результате диссоциации карбонатов, сульфатов, фторидов и других минеральных включений.

При нагревании руд в воздухе возможно увеличение массы пробы за счет образования высших оксидов металла. Например, окисление железа может протекать согласно уравнению - .

Рыхлые, глинистые породы в отличие от малопористых пород содержат большую долю пленочной воды. Поэтому для таких породы используется другая характеристика влажности – максимальная молекулярная влагоемкость, которая определяется как массовая доля пленочной (связанной) воды, удерживаемой на частицах породы силами молекулярного притяжения.

Количественно все виды влаги определяются согласно формуле

,                                                   (4.2)

где m ₁ – масса образца породы до сушки, m ₂ – масса образца после сушки, или . Так, согласно ГОСТ 5180-84, ГОСТ 8269.0-97 в знаменателе должна стоять масса m₂. Другие стандарты устанавливают для знаменателя величину массы m ₁.

Процедура определения гигроскопической влаги заключается в следующем. Берется навеска пробы горной породы, находящейся в воздушно-сухом состоянии массой несколько грамм. Навеска засыпается в предварительно высушенный сосуд с известной массой. Производится взвешивание сосуда с навеской, после чего навеска с сосудом выдерживаются при температуре 105 ⁰С примерно в течение часа. Затем сосуд закрывают крышкой и охлаждают в эксикаторе 20…25 минут и взвешивают. В качестве эксикатора обычно используется хлористый кальций, предварительно выдержанный при температуре 700…800 ⁰С. Высушивание пробы повторяется до тех пор, пока масса сосуда не перестанет уменьшаться. Критерий постоянства массы, например, согласно ГОСТ 15848.21-90 заключается в том, что результаты параллельных определений не должны отличаться более чем на 510⁷ кг.

Относительная погрешность определения гигроскопической влаги лежит в пределах 5…20% (для малых значений влаги погрешность максимальна).

Процедура определения полной влаги в целом похожа, но имеет ряд отличий:

3. пробы могут быть различной массы от нескольких грамм до нескольких килограмм в зависимости от крупности частиц;

4. определение влаги может производиться в два этапа в зависимости от состояния влажности пробы.

При определении полной влагоемкости липкой и влажной руды сначала руда высушивается до воздушно-сухого состояния при температуре ниже 105 ⁰C, чаще всего при комнатной температуре, и определяется влажность по формуле

,                                                           (4.3)

где - убыль первоначальной массы руды до массы .

Затем руда выдерживается при температуре 105…110 ⁰С до тех пор, пока ее масса не перестанет изменяться. После этого определяется следующее значение окончательно удаленной влаги по формуле

,                                                            (4.4)

где - окончательная масса руды.

Полная влагоемкость липкой и влажной руды представляет собой отношение полной убыли массы руды за два этапа сушки к первоначальной массе руды и определяется в виде

 или ,                (4.5)

если влажность выражена в процентах.

Водоотдача. Этот параметр определяется через разность полной влагоемкости и гигроскопической влаги породы. Водоотдача характеризует статические запасы воды, выделяемые в выработанное пространство при вскрытии месторождения.

Вопросы к лекции №4

«Общие сведенья о жидкой и газообразных фазах породах. Классификация видов воды в породах»

1. В каких состояниях в массиве могут находится жидкость и газ в горных породах?

2. Какими видами представлена жидкость в горных породах?

3. Расскажите классификацию воды в горных породах?

4. Из чего образуется конституционная вода?

5. Из чего образуется кристаллизационная вода?

6. Где локализуется физически связанная вода?

7. Где образуется плёночная вода?

8. Как можно оценить высоту капиллярного подъёма воды для абсолютно смачиваемых частиц?

9. Какая способность горной породы называется влажностью?

10. Что понимается под гигроскопической влагой?

11. Что такое полная влагоёмкость?

12. Как количественно определяются все виды влаги?

13. Как определяется параметр – водоотдача? Что она характеризует?