Водно-физические свойства горных пород и их показатели

Содержание

Введение

1.2.Вода в горных породах

1.2.1. Водно-физические свойства горных пород и их показатели

1.2.2. Вода в горных породах

 

1.2.3. Участие воды в геологических процессах

1.3. Типы подземных вод

 

1.3.1. Гидрогеологическая стратификация подземных вод

 

1.3.2. Классификация подземных вод по условиям залегания

 

1.3.1. Гидрогеологическая стратификация подземных вод

2.Динамика подземных вод

 

2.1. Основы гидродинамики

 

2.1.1. Виды движения воды в горных породах. Основные законы дви-

жения подземных вод

 

2.1.2. Основные гидродинамические элементы фильтрационного потока

 

2.1.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод в

однородных пластах

 

2.1.4. Понятие о водозаборах подземных вод и их классификация

 

2.1.5. Притоки воды к водозаборным сооружениям

 

3. Список литературы

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Как известно, подземные  воды при разработке месторождений  полез-

ных ископаемых имеют весьма существенное значение, обусловливая необ-

ходимость проведения мероприятий  по борьбе с притоками подземных  вод в

горные выработки. Выбор  тех или иных осушительных мероприятий  и их эф-

фективность всецело зависят от характера гидрогеологических условий ме-

сторождения (группы сложности) и степени гидрогеологической изученности

конкретных месторождений. В соответствии с этим горные инженеры, под

непосредственным руководством которых осуществляются все разведочные

работы, а также ведущие  всю полевую производственно-техническую  и гео-

логическую документацию при бурении, должны обладать минимумом  зна-

ний по гидрогеологии и инженерной геологии, что является необходимым ус-

ловием для обеспечения нужного качества разведочных работ.

Гидрогеологии в курсе  лекций уделено большее внимание, т.к. в основе

определения физико-механических свойств горных пород находится  вода,

при взаимодействии с которой изменяются прочностные характеристики по-

род. При обводненности месторождений полезных ископаемых это проявля-

ется особенно интенсивно. Например, при разработке месторождений наблю-

дается пучение глинистых  пород в подошве карьера, что  связано с фильтра-

цией воды через слабопроницаемые породы. Многие горно-геологические яв-

ления, проявляющиеся в бортах открытых горных выработок и стволах под-

земных, связаны с деятельностью именно подземных вод, это карстовые яв-

ления, плывуны, суффозионные явления и др. Поэтому изучению динамики

подземных вод, определению  притоков воды в горные выработки  и методам

борьбы с подземными водами при освоении месторождений полезных иско-

паемых уделяется большое значение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.1. Водно-физические свойства горных пород и их показатели

Наличие воды в горных породах, различные виды ее движения зависят

от генетического типа пород, их особенностей, которые по отношению к воде

определяются водно-физическими свойствами [12].

Рассмотрим основные показатели водно-физических свойств на приме-

ре осадочных пород.

Влажность характеризуется количеством воды, заполняющим поры в

естественных условиях залегания горных пород.

Численно влажность выражают отношением веса воды, заполняющей

поры породы, к весу сухой породы в долях единицы или в процентах от веса

сухой породы:

где g2 – вес воды, г; g1 – вес сухой породы, г.

Если влажность определяется по образцам естественной влажности, то

ее называют естественной.

Влажность по отношению к  объему пор называется коэффициентом

водонасыщения (Кw). Он характеризует степень заполнения порового про-

странства породы водой и может быть рассчитан по формуле

где Wп.в. – полная влагоемкость породы.

При Wп.в.= W глинистая порода представляет собой двухфазную систе-

му: минеральный скелет + вода, при Кw < 1 порода является трехфазной сис-

темой: минеральный скелет + вода + воздух.

От степени влажности  изменяется прочность, деформируемость и ус-

тойчивость песчаных и глинистых пород.

Пористость характеризует наличие пустот в горных породах. Порис-

тость или коэффициент пористости определяет общий объем пор в едини-

це объема породы и вычисляется по формуле

где Vп – объем пор; V – объем породы; γу – удельный вес породы, г/см3; γс –

объемный вес скелета  породы, г/см3.

Отношение объема пустот в  горной породе к объему скелета породы Vc

называется приведенной пористостью или приведенным коэффициентом по-

ристости ε:

Зависимость между этими  двумя коэффициентами определяется выра-

жениями:

При полном насыщении породы водой коэффициент пористости может

быть вычислен через весовую  влажность и удельный вес породы:

Классификация песчано-глинистых  пород в зависимости от пористости

приведена в табл.1.

Пористость песчаных и  глинистых пород характеризует  их естествен-

ную уплотненность и склонность к деформациям. Коэффициент пористости

используется при расчетах осадок сооружений, а также при  проектировании

естественных оснований  зданий и сооружений в расчетах при  определении

нормативных давлений на горные породы.

Пористость песчаных и  глинистых пород при разном сложении

Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимают ее способность

вмещать и удерживать определенное количество воды.

Породы бывают влагоемкие (глины, суглинки), средневлагоемкие (су-

песи, пески мелко- и тонкозернистые, пылеватые) и невлагоемкие (пески

средне-, крупно- и грубозернистые, гравелистые и щебнистые породы, а так-

же галечники).

У влагоемких пород различают  влагоемкость полную, капиллярную и

молекулярную. При полной влагоемкости все поры заполнены водой. Капил-

лярной влагоемкости соответствует насыщение водой только капиллярныхпор. Под молекулярной влагоемкостью понимают способность горных пород

удерживать физически  связанную воду, которая находится  на поверхности

частиц горной породы в  виде гидратных оболочек.

Максимальное количество физически связанной воды образует макси-

мальную молекулярную влагоемкость. При влажности породы равной мак-

симальной молекулярной влагоемкости резко изменяются физико-

механические свойства глин. Для многих разновидностей глин максимальная

молекулярная влагоемкость соответствует влажности на пределе пластично-

сти.

Водоотдача. Способность горных пород отдавать свободностекающую

воду называется водоотдачей. Такой способностью обладают только невлаго-

емкие или слабовлагоемкие  породы.

Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоем-

костью и максимальной молекулярной:

Для количественной характеристики водоотдачи служит также коэффи-

циент водоотдачи (μв), равный отношению объема стекающей воды к объему

породы, выраженной в долях  единицы.

Характеристика водоотдачи пород имеет большое практическое значе-

ние. От водоотдачи зависят эксплуатационные запасы подземных вод, прито-

ки воды в горные выработки и возможность их осушения.

Водопроницаемость. Способность горных пород пропускать через себя

воду под действием  напора называется водопроницаемостью.

Водопроницаемость пород  зависит от пористости, скважности, дейст-

вующих напоров, вязкости воды, гранулометрического состава и его одно-

родности.

Движение воды, а также  других жидкостей и газов через пористые гор-

ные породы, когда все поры запомнены водой, называется фильтрацией.

Различают породы водопроницаемые (галечник, гравий, песок, трещи-

новатые породы и др.), полуводопроницаемые (глинистый песок, супесь, суг-

линок, лесс и др.) и приктически водонепроницаемые (глина, тяжелый сугли-

нок, кристаллические и  осадочные нетрещиноватые породы).

На водопроницаемость  большое влияние оказывает степень  однородно-

сти их гранулометрического состава, а также примеси глинистых частиц и

хорошо разложившейся  органики. Кроме того, водопроницаемость  изменяет-

ся при их уплотнении под влиянием давления вышележащих масс горных по-

род или сооружений, при  растворении и выщелачивании  солей, содержащих-

ся в них (карст), при увеличении гидродинамического давления (суффозия).

Некоторые глинистые породы в отношении водопроницаемости  характери-

зуются ярко выраженной анизотропностью.

Мерой водопроницаемости  горных пород служит коэффициент  фильт-

рации, который прямо пропорционален напорному градиенту. При градиенте,

равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости потока:

где V – скорость потока, см/сут, м/сут, и т.д.; Кф – коэффициент фильтрации,

см/сек, м/сут, и т.д.; i – напорный градиент.

Для характеристики проницаемости  пород используется также коэффи-

циент проницаемости (Кп) и удельное водопоглощение (W). Эти коэффициен-

ты связаны между собой следующей зависимостью:

где Кф – коэффициент фильтрации, см/с; γв – удельный вес воды, г/см3; Кп –

коэффициент проницаемости, мД; η – вязкость жидкости, Па·с. Удельное во-

допоглощение примерно равно 0,53 Кф.

Показатели, характеризующие  проницаемость горных пород, необхо-

димы для оценки притока воды к водозаборным сооружениям для питьевого

водоснабжения, для оценки притока воды в горные выработки  и при решении

других практических вопросов. Коэффициент фильтрации определяется как

по эмпирическим формулам, так и в результате полевого изучения – опытных

откачек воды.

1.2.2. Вода в горных породах

В горных породах земной коры вода существует в различных  видах и

агрегатных состояниях.

В зависимости от гранулометрического  состава и его однородности,

минерального состава, пористости, наличия обменных катионов, температуры

и давления и многих других факторов. А.Ф. Лебедев специально изучал во-

просы о видах воды в горных породах и установил следующие категории: 1)

вода в форме пара; 2) гигроскопичная вода; 3) пленочная вода; 4) капилляр-

ная вода; 5) гравитационная вода; 6) вода в твердом состоянии; 7) химически

связанная вода.

Парообразная  вода находится в воздухе, заполняющем поры, пустоты,

трещины в горных породах, не занятые жидкой водой или льдом. Водяной

пар может свободно сообщаться с наземной атмосферой или быть защемлен-

ным в порах и пустотах горных пород. Общее его количество в воздухе под-

земной атмосферы определяется температурой пород, а, следовательно, и

воздуха. Количество водяного пара в породах регулируется непосредственно

относительной влажностью воздуха. Явление поглощения породой водяного

пара из воздуха называется сорбцией, а свойство горных пород сорбировать