№2. Оценка водопроницаемости. Методические указания к лабораторной работе 2 по курсу Геология для студентов направления подготовки 550600 (130400) Горное дело
 Скачать 223 Kb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Кафедра геологии ОЦЕНКА ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Методические указания к лабораторной работе № 2по курсу «Геология» для студентов направления подготовки 550600 (130400) «Горное дело», специальностей 090100 (130402), 090200 (130404), 090300 (130405), 090400 (130406), 090500 (130403) Составители Ю. В. ЛесинО. Е. Шестакова Утверждены на заседании кафедрыПротокол № 7 от 18.05.2006Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 550600 Протокол № 17 от 24.05.2006 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ Кемерово 2006 Оценить водопроницаемость дисперсных песчаных пород по коэффициенту фильтрации. Общие положения 1.1. Все горные породы в той или иной мере пропускают через себя воду. Способность породы пропускать через себя воду называется водопроницаемостью, а движение воды в породах под действием напора – фильтрацией. Численно водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации (или коэффициент водопроницаемости) равен скорости движения воды при напорном градиенте, равном единице:  , ( 1 )где V – скорость фильтрации воды на отрезке  , см/с;  – коэффициент фильтрации, см/с; J – напорный (гидравлический) градиент – отношение потери напора (уровня) воды  к длине пути фильтрации (рис. 1): . ( 2 ) Рис. 1. Схема, раскрывающая смысл напорного градиента 1.2. Величина коэффициента фильтрации для различных пород изменяется в широких пределах. По величине все породы подразделяются на несколько групп пород по водопроницаемости согласно ГОСТ–25100–95 (табл. 1). Однако важно подчеркнуть, что для определенного типа породы является постоянной величиной.Таблица 1Классификация горных пород по водопроницаемости
1.3. Величина (и соответственно водопроницаемость породы) зависит от свойств породы и, в меньшей мере, от температуры, химического состава фильтрующей воды.В нескальных породах величину определяют:гранулометрический состав породы, степень ее однородности, форма зёрен; размер, форма и количество сообщающихся между собой пор; структурно-текстурное строение породы, степень уплотненности и упакованности зёрен. Например, чем больше размер зёрен и чем однороднее порода, тем больше её водопроницаемость. Водопроницаемость резко снижается в неоднородных по гранулометрическому составу рыхлых породах, у которых промежутки между крупными зёрнами заполнены более мелкими. Так, чистые галечники могут быть очень сильноводопроницаемыми, а те же галечники с песчаным наполнителем будут слабоводопроницаемыми. Более того, коэффициент фильтрации галечника с песчаным заполнителем нередко оказывается меньше коэффициента фильтрации самого заполнителя. Окатанная форма зёрен увеличивает водопроницаемость рыхлых пород, остроугольные неправильные формы зерна уменьшают её, т.к. увеличивают сопротивление прохождению воды через породу. В скальных и полускальных породах величина зависит, в основном, от характера, размера, формы пор, трещин и других пустот (протяженности трещин, открытости трещин, их ориентировки), а также от структурно-текстурного строения породы, условий их залегания и др.Водопроницаемость пород, в некоторой степени, зависит и от температуры воды, т.к. с повышением температуры уменьшается вязкость воды и повышается её подвижность в породе. При оценке проницаемости пород для нефти и других жидкостей (глиняные, бетонные растворы и др.) учет их вязкости имеет большое значение. 1.4. Данные о водопроницаемости пород имеют важное практическое значение в горном деле при рассмотрении многих вопросов, связанных с использованием подземных вод в хозяйственных целях и с защитой от разрушительной деятельности подземных вод. Коэффициент фильтрации является основным параметром при расчетах фильтрации, водопритоков, водопонижений, дренажей и др. При этом решаются следующие задачи: определение притоков воды в горные выработки, строительные котлованы и решение вопроса о способах их осушения; проектирование дренажных сооружений и фильтров; выбор места расположения плотин и прогноз формирования зон подтопления; подсчёт запасов подземных вод; прогноз осадки сооружений, просадки лёссовых пород, капиллярного увлажнения. 1.5. Для определения величины применяют три группы методов:1) полевое опытное определение с помощью откачки или налива воды;2) лабораторное определение в приборах;3) косвенное определение путем вычислений по данным гранулометрического состава и пористости породы.Наиболее общую и достоверную информацию о водопроницаемости пород дают полевые методы определения . Это связано с тем, что исследуются не отдельные образцы, а целые комплексы отложений, находящихся в условиях естественного залегания. При этом применяют опытные откачки из шурфов и скважин, опытные наливы (нагнетания) воды в шурфы и скважины. Определив расход откачиваемой (нагнетаемой) воды и величину понижения (повышения) её уровня, а также другие исходные данные, рассчитывают по формулам .Лабораторные методы определения являются менее точными по сравнению с полевыми, т.к. они основаны на определении водопроницаемости отдельных образцов, взятых из толщи. Суть лабораторных методов состоит в том, что изучаемая порода помещается в прибор и через неё под разными напорными градиентами пропускают воду, расход которой учитывается, а затем по формулам производится расчет .Наименее точными являются определения путем расчёта по эмпирическим формулам, связывающим значения породы с её гранулометрическим составом и пористостью. Этот метод применим главным образом для песчаных пород. Расчетные значения дают лишь приблизительную оценку водопроницаемости породы и могут быть рекомендованы для предварительных ориентировочных расчетов. Для приближенного подсчета величины при наиболее часто встречающихся условиях может использоваться формула (3)где  – действующий диаметр частиц в мм (см. лаб. работу 1).1.6. В данной лабораторной работе определение породы производится с помощью универсальной трубки КФ-ООМ СПЕЦГЕО. Приборы и материалы 2.1. Прибор – универсальная трубка КФ-ООМ СПЕЦГЕО, банка для сбора фильтрующейся воды, термометр, секундомер, исследуемая порода, вода водопроводная. 2.2. Прибор КФ-ООМ состоит из мерного цилиндра 1, фильтрационной трубки 5. Снабжен верхней 2 и нижней 7 муфтами, батарейной банкой 1 с крышкой 9 и подставкой 11 (рис. 2). Подставка имеет винтовое приспособление 8 и измерительную планку 4. Над крышками фильтрационной трубки устанавливаются латунные сетки 3 и 6. Площадь поперечного сечения фильтрационной трубки S = 25 см2, длина – 10 см. Цена деления шкалы мерного цилиндра 1 см3, цена деления измерительной планки – 0,02.  Рис. 2. Схема прибора КФ-ООМ СПЕЦГЕО Подготовительная работа 3.1. Подготовить табл. 2 для записи наблюдений. Таблица 2 Определение коэффициента фильтрации в универсальной трубке КФ-ООМ СПЕЦГЕО
3.2. Из корпуса прибора извлечь фильтрационную трубку, снять мерный сосуд, верхнюю муфту и латунную сетку. Наполнить фильтрационную трубку породой. При испытании песчаных пород нарушенной структуры коэффициент фильтрации по стандарту определяют дважды: при рыхлом и максимально плотном сложении породы. Для первого случая порода свободно насыпается, во втором случае наполнение ведется слоями в 2 см с легкой трамбовкой. При опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки засыпается буферный слой песка из фракции 0,5–0,25 мм, высотой 2–3 см. В данной работе, в связи с ограничением времени, испытание проводится при рыхлом слабоуплотненном сложении породы. 3.3. Вращением винта поднять подставку до совмещения отметки 1,0 на планке с верхним краем крышки и в корпус налить воды. На подставку установить фильтрационную трубку с породой. Вращением винта медленно погрузить фильтрационную трубку в воду до отметки –0,8. В таком положении оставить прибор до момента появления влаги в верхнем торце цилиндра, цвет породы станет темнее. На породу поместить латунную сетку и надеть муфту. 4. Последовательность выполнения работы 4.1. Для нахождения породы лабораторные испытания рекомендуется проводить в две серии опытов: при напорном градиенте, равном 1,0, и при J = 0,5. Значения напорного градиента – от 0 до 1,0 обозначены на измерительной планке.4.2. Установить напорный градиент, равный 1,0. Для этого вращением винта поднять фильтрационную трубку до отметки 1,0 на измерительной планке. В банку долить воды до верхнего края крышки батарейной банки. 4.3. Заполнить мерный цилиндр водой, предварительно измерив её температуру, зажать отверстие большим пальцем и быстро вставить цилиндр в муфту так, чтобы он соприкасался с латунной сеткой. В таком виде мерный цилиндр работает как мариоттов сосуд, автоматически поддерживая над породой постоянный уровень воды в 1–2 мм. При понижении этого уровня в мерный цилиндр прорывается пузырек воздуха и вытекает соответствующее количество воды. Этим достигается постоянство напорного градиента. 4.4. При J = 1 фильтрационная трубка полностью выдвинута из банки и поднята над водой. Напорный градиент рассчитывается как отношение перепада высот напора воды , равного в данном опыте расстоянию от пленки воды над породой до уровня воды в банке, к длине пути фильтрации , равной длине фильтрационной трубки, то есть и совпадают.4.5. Если в мерный цилиндр прорываются крупные пузырьки воздуха, это свидетельствует о том, что горлышко цилиндра отстоит на значительном расстоянии от поверхности породы. В этом случае необходимо мерный цилиндр опустить глубже и добиться, чтобы в него равномерно поднимались мелкие пузырьки воздуха. 4.6. По достижении указанных условий пускают секундомер и фиксируют время, за которое из мерного цилиндра вытечет определенный объём воды (например 20 см3). Такое наблюдение при данном напорном градиенте повторяют 3–5 раз, результаты заносят в табл. 2. 4.7. Повторить опыты при J = 0,5. Для этого вращением винта опустить фильтрационную трубку до отметки 0,5 на измерительной планке и повторить испытание согласно пп. 4.3–4.5 методических указаний. 4.8. При J = 0,5 фильтрационная трубка наполовину погружена в банку и, соответственно, наполовину находится в воде. Напорный градиент в данном опыте определяется как отношение , равного половине длины фильтрационной трубки, к , равной длине фильтрационной трубки.Обработка результатов 5.1. Рассчитать фактический коэффициент фильтрации для каждого наблюдения по формуле  , см/с (4)где S – площадь поперечного сечения фильтрационной трубки, см2. 5.2. Рассчитать , приведенный к температуре воды 10 С, по формуле  , см/с (5)где ТП10 – температурная поправка при температуре воды 10 С; ТПt – температурная поправка для фактической температуры воды. Температурные поправки вычисляют по формуле Пуазейля: ТП = 1 + 0,0337t + 0,000221t2 (6) Таблица 3 Значения температурных поправок (ТП) по Пуазейлю
5.3. По полученным значениям приведенного найти среднее значение при J = 1,0 и при J = 0,5: , см/с (7)где n – число наблюдений. В идеальном случае средние значения при J = 1,0 и при J = 0,5 должны совпадать. 5.4. Учитывая, что 1 см/с = 864 м/сут, найти значения , м/сут.Анализ результатов 6.1. По величине , найденного опытным путем, и по данным табл. 1, дать характеристику исследуемой породы.6.2. Рассчитать по формуле (3) и сравнить с , полученным опытным путем.Контрольные вопросы 1. Каким показателем оценивается водопроницаемость горных пород ? 2. Назовите примерные значения коэффициентов фильтрации для различных пород. 3. От чего зависит величина коэффициента фильтрации ? Какое влияние на величину коэффициента фильтрации оказывают скорость фильтрации воды, напорный градиент, количество атмосферных осадков ? 4. Охарактеризуйте влияние гранулометрического состава нескальной породы на значение коэффициента фильтрации. 5. Методы определения коэффициента фильтрации, общие их достоинства и недостатки. 6. Устройство универсальной трубки КФ-ООМ СПЕЦГЕО и порядок работы с ней. 7. Объясните, почему во время опыта с трубкой СПЕЦГЕО напорный градиент остается постоянным, хотя уровень воды в мерном цилиндре постоянно понижается. 8. Перечислите основные проблемы (задачи), при решении которых используется значение коэффициента фильтрации. 9. Что такое напорный (гидравлический) градиент ? Список рекомендуемой литературы 1. ГОСТ 23278–78. Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 61 с. 2. ГОСТ 25584–83. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации. – М.: Изд-во стандартов, 1983. – 9 с. 3. ГОСТ 5180–84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 23 с. 4. Ломтадзе В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Недра, 1990. – 328 с. 5. Чаповский Е. Г. Основы инженерно-геологического изучения горных пород. – М.: Высш. шк., 1975. – 296 с. Составители Юрий Васильевич Лесин Шестакова Ольга Евгеньевна ОЦЕНКА ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Методические указания к лабораторной работе № 2по курсу «Геология» для студентов направления подготовки 550600 (130400) «Горное дело», специальностей 090100 (130402), 090200 (130404), 090300 (130405), 090400 (130406), 090500 (130403) Рецензент Л. С. Недосекина Печатается в авторской редакции Подписано в печать 20.06.2006. Формат 6084/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 306 экз. Заказ ГУ КузГТУ. 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ГУ КузГТУ. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
