Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФГП практикум.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
5.53 Mб
Скачать

1.3. Определение пористости, влажности, влагоемкости и водопроницаемости горных пород

Пористостью называют совокупность всех пустот в горных породах. Величина пористости оценивается показателем общей пористости - это отношение объема всех пор к общему, выраженное в долях единицы или в процентах:

где, Vпор. - объем пор; Vск - объем минерального скелета.

По размерам поры подразделяются на субкапиллярные (размер пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм).

Значения пористости горных пород приведены в таблице 1 приложения.

Оборудование и материалы. Технические весы, образцы. В качестве жидкости хорошо заполняющей поры, применяют толуол или керосин.

Порядок проведения эксперимента.

1. Высушенные образцы взвешивают с точностью до 0,01г и погружают на 0,5 часа в стакан с толуолом или керосином.

2. Производят гидростатическое взвешивание образцов в жидкости.

3. Взвешивают насыщенный жидкостью образец в воздухе.

4. Вычисляют открытую пористость по формуле:

где, m1 – масса насыщенного жидкостью образца при взвешивании в воздухе, г; m2 – масса сухого образца, г; m3 – масса насыщенного образца при взвешивании в жидкости, г.

5. По известным значениям объёмной плотности и плотности минерального скелета вычисляют общую пористость образцов по формуле:

6. Находят закрытую пористость образцов по формуле: .

Данные измерений и вычислений заносят в таблицу (форма 3).

Форма 3

Исследуемая порода

№/№

образца

m1, г

m2, г

m3, г

Pотк %

rо г/см3

г/см3

Pобщ

%

Pзак

%

Влажностью горных пород называется содержание в них воды, определяемое по уменьшению веса образца при высушивании в стан­дартных условиях.

Влажность W выражается процентным отношением массы воды, содержащейся в образце, к массе образца после его высушивания. Для определения влажности бе­рется образец горной породы, помещается в стеклянный сосуд, зак­рывающийся притертой пробкой. Сосуд с образцом взвешивается, после чего крышка с сосуда снимается, и он помещается в сушиль­ный шкаф, в котором поддерживается температура 105 – 110°С. Обра­зец высушивается до постоянной массы (расхождение между двумя последующими взвешиваниями не превышает трехкратной ошибки взвешивания).

Образец, доведенный до постоянной массы, охлаждается до комнатной температуры в эксикаторе, на дне которого насыпан хлористый кальций - вещество, интенсивно поглощающее воду. После того как температура снизится до комнатной, сосуд закрывается крышкой и взвешивается. Образцы плотных горных пород можно высушивать, не пользуясь при этом специальным сосудом.

Влажность вычисляется по формуле: W = [(m1 - m2 ) / m2 ] •100 , где m1 - масса образца до сушки; m2 - масса образца после сушки.

Для характеристики влажности мерзлых горных пород применяется суммарная (естественная) влажность W и общая влажность Wоб. Суммарная влажность определяется как отношение массы всех категорий воды (воды и льда) к массе сухой породы в про­центах или долях единицы, а общая влажность - отношение в долях единицы или в процентах массы всех категорий воды (воды и льда) к массе всей породы (масса скелета с водой и льдом). Общая и суммарная влажность взаимосвязаны между собой зависимостью: Wоб = W / (1+W).

На практике гораздо чаще применяется суммарная влажность. Влажность мерзлых пород в лабораторных условиях определяется так же, как и для немерзлых твердых пород.

Содержание льда в мерзлых горных породах характеризуется льдистостью. Суммарная весовая льдистость Лв – отношение в долях единицы или в процентах массы льда к массе сухой породы.

Суммарная относительная льдистость Ло - отношение массы льда к массе всей воды (вода и лед), содержащейся в поро­де: Ло = mл / (mв+mл ) = Лв / W, где mл ‑ масса льда в породе; mв - масса воды в породе.

То есть суммарная относительная льдистость - это отношение весовой льдистости к весовой влажности. Если известна суммарная влажность мерзлой породы и влажность за счет незамерзшей воды, то весовая льдистость: Лв = W - Wн.. Значит суммарная относительная льдистость: Ло = (W – Wн ) / W.

Суммарная объемная льдистость - отношение в процентах или долях единицы объема льда, содержащегося в породе, к объему мерз­лой породы.

Льдистость, как и влажность, является очень важной харак­теристикой физического состояния и свойств мерзлых пород. Наиболее совершенным методом определения количества льда (а значит и рас­чета льдистости) и незамерзшей воды в мерзлой породе является калориметрический метод. Он основан на учете поглощения тепла при оттаивании льда в образцах мерзлой породы. Метод обеспечивает достаточно высокую точность, но является довольно сложным и трудоемким. Поэтому калориметрический метод используется в условиях стационарных мерзлотных лабораторий.

Влагоемкость породы характеризует ее способность насыщаться водой. Насыщение может быть свободным, когда заполнение пор во­дой происходит при атмосферном давлении, и принудительным, когда для удаления газов образец находится в вакууме 4-6 ч, а затем насыщается водой под давлением 15 МПа (150 атм.) в течение суток. Количественно свободное водопоглощение характеризуется отноше­нием массы воды, поглощенной образцом за определенное время к массе высушенного образца.

Максимальное количество связанной, капиллярной и гравита­ционной воды, которое способна вместить порода, характеризует ее полную влагоемкость.

Различают весовую полную влагоемкость: Wп = [(m п- mс) / mс] · 100 и объемную полную влагоемкость: Wп = (Vж / Vп ) · 100, где mп - масса породы, максимально насыщенной водой; mс - масса высушенной породы; Vп - объем породы; Vж - объем жидкости, заполняющей породу (Vж mп - mс).

Величина объемной полной влагоемкости примерно равна пористости породы. Если поры в породе не имеют свободного сообщения друг с другом (закрытые поры), то в них может остаться некоторое количество защемленных газов даже при полном насыщении водой. В этом случае полная объемная влагоемкость меньше пористости.

Влагоемкость породы определяется следующим образом. Образец горной породы высушивается в сушильном шкафу до постоянной массы. Затем в автоклаве, под давлением, образец насыщается водой (до полного влагонасыщения), и опять взвешивается.

Результат рассчитывается по формуле: Wп = [(m2 - m1 ) / m1] · 100 где m1 - масса высушенного образца; m2 - масса образца, насыщенного водой.

Для характеристики породы в естественном состоянии пользу­ются коэффициентом водонасыщения, указывающим на степень насы­щения породы водой. Коэффициент водонасыщения определяют по фор­муле: Kв = W / Wп , где W – естественная весовая влажность; Wп – весовая полная влагоемкость породы.

Водопроницаемостью горных пород называется их способность пропускать воду. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом проницаемости (Kпр.), определяемым из уравнения Дарси: Kпр = Q l0 (S ∆p), где Q / S = Vф - скорость фильтрации; ∆p - перепад давлений на пути l0 – фильтрации жидкости; - вязкость жидкости; Q - расход воды через сечение S в единицу времени.

Динамическая вяз­кость характеризует свойство жидкостей и газов оказывать сопротив­ление взаимному движению их частиц. Единица динамической вязкос­ти Па·с - динамическая вязкость среды, при ламинарном течении ко­торой в слоях, находящихся на расстоянии в , в направлении, перпендикулярном к течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с.

В практических расчетах в горном деле обычно используется коэффициент фильтрации: Kф = Kпр ∆p / l0 .

В зависимости от величины коэффициента фильтрации породы делятся на следующие группы:

  • водоупорные - Кф < 0,1 м/сутки;

  • слабопроницаемые - 0,1 ≤ Кф ≤ 10 м/сутки;

  • cреднепроницаемые - 10 ≤ Кф ≤500 м/cутки;

  • легкопроницаемые - Кф > 1000 м/сутки.

Водопроницаемость зависит в основном от размеров пор, их общего количества в породе и конфигурации. В общем случае водопро­ницаемость возрастает при увеличении пористости, особенно открытой. Существенное влияние на водопроницаемость оказывает средний диаметр пор и извилистость поровых каналов, под которой понимают отношение длины порового канала к длине образца.

Сверхкапиллярные поры (более 100 мкм) пропускают жидкости под действием силы тяжести или напора по законам гидродинамики. В капиллярных же порах (0,2 - 100 мкм) жидкости движутся под дейст­вием сил капиллярного натяжения. Под действием напора жидкость в капиллярных каналах движется лишь в том случае, если напор превысит силы молекулярного притяжения.

Субкапиллярные поры (менее 0,2мкм) практически не пропуска­ют воду. Именно поэтому глины, пористость которых достигает 50, являются хорошим водоупором. Практически вся вода в глинах нахо­дится в связанном состоянии и препятствует перемещению гравита­ционной воды. Поэтому с увеличением содержания глинистых фракций в породах их водопроницаемость уменьшается.

Породы высших категорий трещиноватости характеризуются высокой водопроницаемостью.