- •119991, Москва, гсп-1, Ленинский проспект, 6; Издательство мггу; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40 «ата»
- •Глава 1. Физические основы динамики
- •Глава 4. Исследование задач плановой
- •Глава 7. Применение принципов и методов динамики подземных вод при гидрогеологических опытных работах и наблюдениях 392
- •Глава 8. Использование методов динамики подземных вод при решении гидрогеологических и инженерногеологических проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых 451
- •Глава 1
- •Элементы гидростатики
- •Гидростатический напор
- •Элементы гидродинамики идеальной жидкости
- •Элементы гидродинамики реальной жидкости
- •О режимах движения
- •Общая физическая характеристика водонасыщенных горных пород
- •Геометрия пор и трещин в горных породах
- •Виды воды в горных породах с позиций задач динамики подземных вод
- •Водонасыщенные горные породы как сплошная среда
- •Подземная гидростатика (напряжения в водонасыщенных горных породах)
- •Емкостные свойства горных пород
- •Гравитационная емкость
- •Упругая емкость
- •Основной закон фильтрации и проницаемость горных пород
- •Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости
- •Ограничения на закон Дарси
- •Общие представления о статистической теории фильтрации
- •О напряженном состоянии горных пород в фильтрационном потоке (гидродинамическое давление)
- •Общая физическая характеристика
- •Физические основы моделирования геофильтрационных процессов
- •Глава 2 | математические основы теории
- •Гидродинамическая типизация условий движения подземных вод
- •Построение основных дифференциальных уравнений геофильтрации и математические основы моделирования фильтрационных процессов
- •Дифференциальные представления исходных физических закономерностей
- •Расчетная модель жесткого режима фильтрации
- •Расчетная модель упругого режима фильтрации
- •Основные дифференциальные уравнения плановой фильтрации
- •Плановая фильтрация в изолированном напорном пласте
- •Плановая напорная фильтрация при наличии перетекания
- •Плановая фильтрация в безнапорном пласте
- •Раздел 1.4), выражением р
- •Математическая модель плановой фильтрации — условия применимости и основные расчетные схемы
- •Об условиях применимости расчетной модели плановой фильтрации
- •Основные расчетные схемы плановой фильтрации
- •Глава 3
- •Плоскопараллельная (одномерная) стационарная фильтрация
- •0 Формуле Дюпюи и промежутке высачивания
- •Безнапорная фильтрация в слоистом пласте между двумя бассейнами (реками) при отсутствии, инфильтрации
- •Напорно-безнапорная фильтрация между двумя
- •Движение в планово-неоднородном напорном пласте
- •Безнапорное движение между двумя бассейнами (реками) в однородном пласте с наклонным водоупором при отсутствии инфильтрации
- •Плоскорадиальная (одномерная) стационарная фильтрация
- •Задача о фильтрации к скважине в круговом пласте
- •Задача о скважине в пласте с перетеканием
- •Решение задач двухмерной установившейся
- •Метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений
- •Общие принципы моделирования задач плановой стационарной фильтрации
- •Сплошные модели из электропроводной бумаги
- •Дискретные модели - сетки электрических сопротивлений
- •Простейшие одномерные решения и пути
- •Фундаментальное решение (задача о подпоре вблизи водохранилища)
- •Задача о плоскорадиальной фильтрации к скважине
- •О возможностях распространения решений
- •Аналитическое исследование нестационарных фильтрационных процессов методами интегральных преобразований
- •Моделирование нестационарных плановых потоков
- •Конечно-разностная форма дифференциальных уравнений
- •Аналоговое моделирование нестационарной фильтрации
- •Исходные представления о схемах численного
- •I 4 I Записать и объяснить математические выражения для граничных условий на скважинах, работающих с постоянным расходом и с постоянным напором.
- •Особенности задач, связанных
- •Общая гидродинамическая характеристика
- •Изменения в подземной гидростатике и гидродинамике при опытной откачке
- •Особенности фильтрационных процессов при опытных откачках
- •Основные расчетные схемы
- •Специфика геофильтрационных процессов в различных типовых условиях проведения опытных опробований
- •О некоторых гидрогеоиеханических эффектах
- •Особенности фильтрационного процесса при откачках из планово-ограниченных и планово-неоднородных пластов
- •Анализ влияния технических факторов
- •Значение несовершенства центральной скважины по степени вскрытия пласта
- •Значение несовершенства наблюдательных скважин по степени вскрытия пласта
- •Значение непостоянства расхода откачки
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Инерционность наблюдательных скважин
- •Принципы диагностики данных офр
- •Глава 6 I теория миграции подземных вод 1и основы теории влагопереноса
- •Конвективный перенос в подземных водах
- •Конвективный перенос, осложненный физико-химическими процессами
- •6.1.4. Задача об определении скорости фильтрации скважинной резистивиметрией (термометрией)
- •Молекулярная диффузия и гидродисперсия
- •0 6.2.2. Задана о диффузион
- •Конвективно-дисперсионный перенос в однородных водоносных пластах
- •Фундаментальное решение
- •Задача о запуске пакета индикатора
- •Особенности массопереноса в гетерогенных водоносных системах
- •Общие представления о макродисперсии
- •Макродисперсия в гетерогенных системах упорядоченного строения
- •Макродисперсия в гетерогенных системах неупорядоченного строения
- •Процессы теплопереноса в подземных водах — общие представления и простейшие задачи
- •Об аналогии между процессами тепло- и массопереноса
- •Определение миграционных параметров лабораторными методами
- •Опыты с относительно хорошо проницаемыми грунтами
- •Опыты с относительно слабопроницаемыми грунтами
- •Полевые опытно-миграционные работы
- •Общие вопросы индикаторного опробований водоносных пластов
- •Методика полевого индикаторного опробования
- •11 Мгновенный подъем концентрации индикатора и
- •3 Импульсный ввод — создание больших концентрации индикатора за весьма малый промежуток времени, в течение которого весь индикатор поступает в пласт.
- •Физические основы влагопереноса в горных породах при неполном водонасыщении
- •Общая энергетическая характеристика процесса влагопереноса
- •Закон движения влаги*
- •Постановка и решение простейших задач вертикального влагопереноса
- •Дифференциальное уравнение и граничные условия
- •(Третье равенство); тогда
- •Простейшая задача вертикального просачивания
- •Особенности движения влаги при опробовании пород зоны аэрации наливами в шурфы
- •Глава 7
- •Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ
- •Виды офо и области их применения
- •Постановка опытных опробований
- •Конструкция и расположение опытных скважин при откачке
- •Режим опытной откачки
- •Продолжительность опытной откачки
- •Определение фильтрационных параметров по данным режимных геофильтрационных наблюдений1
- •Общие представления
- •Прямое определение параметров
- •Прямое определение параметров на основе
- •Об интерпретации данных режимных наблюдений на эвм методами целенаправленного поиска
- •На модели проводится прогнозный расчет первоочередного водоотбора;
- •Методика опытно-миграционных работ1
- •Планирование миграционных опытов
- •Конкретные примеры
- •Общие положения
- •Геофильтрационные наблюдения вблизи бассейнов промышленных стоков
- •Наблюдения за качественным составом подземных вод
- •Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений
- •Принцип непрерывности ггс
- •Принцип адаптации
- •Принцип обратной связи
- •Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках
- •Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении
- •Оползни бортов карьеров, вызыванные напорными водами
- •Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок
- •Изучение деформаций горных пород над выработанным пространством
- •Обоснование дренажа как метода борьбы
- •Влияние дренажа на напряженное состояние пород в откосах
- •Раздел 8.3.3), нетрудно свести такой расчет к простейшей одномерной задаче о бесконечной цепочке скважин. Для этого используется метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений (см. Раздел
- •Дренаж как метод борьбы с фильтрационными деформациями откосов
- •8.2.3. Водопонижение при проходке шахтного ствола
- •8.3.1. Обцая характеристика прогнозной ситуации
- •Прогноз процессов загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах
- •Цели прогноза и элементы предварительной схематизации
- •Прогнозные оценки процессов загрязнения подземных вод аналитическими методами
- •Основные представления о математическом ¥ моделировании процессов загрязнения подземных вод
- •Краевые условия фильтрации
Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости
Приведенные выше опытные закономерности носят феноменологический характер и содержат экспериментально получаемые параметры к и к^ отражающие, в конечном счете^ силы внутреннего трения в фильтрующейся жидкости .
Параметр к, определяющий способность данного грунта пропускать (фильтровать) ту или иную жидкость, получил название коэффициента фильтрации; он имеет размерность скорости (м/сут, см/с).
Параметр к0 обычно считается зависящим только От свойств проводящей среды и характеризует ее проницаемость, безотносительно к свойствам жидкости. Из выражения (1.59) нетрудно показать, что он имеет размерность площади.
Для того, чтобы понять физическую предпосылку этой размерности, проведем сопоставление выражений (1.59) и (1.50); с учетом связи (1.53) получаем, что при представлении пористой среды набором капилляров
1г — — 2
Ко~ЪП'Гп (1>61)
Если ввести удельную поверхность скелета породы S (общая поверхность частиц в единице объема породы), которая обратно пропорциональна радиусу пор, то получим более общее выражений:
к — —
° S2’ (1.61а)
где А — некоторый коэффициент, зависящий от пористости грунта.
Эксперименты в общем достаточно хорошо подтверждают зависимость (1.61а) для грунтов одного минерального состава.
Проводя аналогичную идеализацию для трещиноватых сред, можно получить для них формальные представления коэффициента проницаемости, по структуре подобные формуле (1.61). Например, для параллельных равноотстоящих трещин одинакового раскрытия b получаем на основе сопоставления формул (1.59) и (1.60а) следующую формулу:
1.3 l2
к = Ь =п'Ь 0 12/я 12 ' (1.62)
В более общем виде формула (1.62) записывается так [28 ]:
к0 =$'П'Ъ2,
(1.62a)
где коэффициент($ зависит от взаимной ориентации трещин.
В физической системе единиц коэффициент проницаемости к0 измеряется в квадратных сантиметрах. Однако чаще для него используется другая единица — квадратный микрометр: среда имеет проницаемость в 1 мкм2, если при перепаде давления, равном около 0,1 МПа на 1 см длины и вязкости 0,001 Па с скорость фильтрации равна 1 см/с.
Согласно выражениям (1.54) и (1.59) для закона Дарси фильтрационные характеристики горных пород к и к0 связаны между собой отношением
(1.63)
В гидрогеологии характеристика фильтрационной способности горной породы чаще всего дается через коэффициент фильтрации, а коэффициент проницаемости используется сравнительно редко. В целях возможного их сопоставления можно иметь в виду, что для воды вязкостью 0,001 Па - с (при температуре 20°С) коэффициенту проницаемости в 1 мкм2 отвечает коэффициент фильтрации, равный 0,86 м/сут (покажите это самостоятельно).
Приведем для ориентира порядок значений коэффициентов фильтрации для различных пород: пески N • 1 м/сут (мелкозернистыеразности),N10м/сут (крупнозернистые разности); супеси ^ - 0,1 м/сут; суглинки N- 0,01 м/сут (легкие разности), N- 0,001 м/сут (тяжелые разности); трещиноватые породы от N • 10 (слаботрещиноватые разности) до N • /1 -10) м/сут (породы со средней степенью трещиноватости) и даже N - 10 м/сут (сильно трещиноватые или закарстованные породы).
Итак, вслед за параметрами емкости (см. раздел 1.4) мы ввели теперь параметры проницаемости, которые будем далее считать константами изучаемого фильтрационного процесса. Нужно, однако, отметить, что эти параметры, отражающие геометрию пористой среды, будут оставаться в каждой точке водоносного пласта постоянными лишь при условии неизменной геометрии пор или трещин. В этой связи отметим основные факторы, способные приводить к существенном изменению проницаемости по сравнению с естественной.
[Г] Изменение напряженного состояния горных пород вызывает уменьшение проницаемости при росте эффективных напряжений и ее увеличение — в противном случае.
Как мы уже знаем, рост эффективных напряжений может вызываться понижением напоров подземных вод и, следовательно, при откачке воды из пласта проницаемость должна, вообще говоря, падать. Однако более внимательные исследования показывают, что заметную роль процессы такого рода играют лишь в трещиноватых породах, особенно при нагнетаниях воды, когда из-за уменьшения эффективных давлений возрастает раскрытие трещин и заметно увеличивается проницаемость.
[~2] В глинистых породах ощутимое влияние на проницаемость оказывает температура, особенно при ее возрастании до интервала 60-80°С: в этом интервале температур отмечается интенсивный переход рыхло связанной воды в свободное состояние (см. раздел 1.2), в результате чего возрастает объем эффективного порового пространства и увеличивается проницаемость.
J3 J Важную роль в проницаемости пород глинистого состава может играть изменение минерализации и химического состава подземных вод. Казалось бы, с ростом минерализации (а следовательно, и вязкости воды) коэффициент фильтрации должен падать (см. формулу
). На деле, однако, часто отмечается противоположная картина: фильтрующая способность среды возрастает. Объяснение этому следует также искать в увеличении свободного порового пространства, вызываемом в данном случае уменьшением толщины сольватных оболочек (см. раздел 1.2) при катионном обмене между свободной и связанной водой [18]. В некоторых случаях (например, при пропускании растворов NaCl через монтморил- лонитовые глины) отмечается увеличение проницаемости на порядок [11]. Впрочем, при определенных сочетаниях минерального состава глин и химического состава воды могут наблюдаться и иные тенденции — падение проницаемости с ростом минерализации воды. Во всех случаях полезно подчеркнуть аномальный характер этих эффектов с точки зрения представлений о коэффициенте проницаемости: последний оказывается зависящим не только от свойств фильтрующей среды, но и от характеристики флюида.
В ближайших главах мы будем, однако, пренебрегать упомянутыми здесь специфическими эффектами; мы вернемся к ним в гл. 5, когда будем изучать вопросы, связанные с опытным определением фильтрационных параметров.