Классификация горных пород по водопроницаемости

Разновидность грунтов	Коэффициент фильтрации kф, м/сут
Водонепроницаемый	Кф≤ 0,005
Слабоводопроницаемый	0,005‹ Кф ≤ 0,30
Водопроницаемый	0,30‹ Кф ≤3
Сильноводопроницаемый	3‹ Кф≤ 30
Очень сильноводопроницаемый	Кф > 30

1.3. Величина k_ф(и соответственно водопроницаемость породы) зависит от свойств породы и, в меньшей мере, от температуры, химического состава фильтрующейся воды.

В дисперсных породах величину k_фопределяют:

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, k_ф галечника с песчаным заполнителем нередко оказывается меньше k_ф 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 k_фзависит, в основном, от характера, размера, формы пор, трещин и других пустот (протяженности трещин, открытости трещин, их ориентировки), а также от структурно-текстурного строения пород, 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 (глинистые, 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 k_фприменяют три группы методов:

1) полевое опытное определение k_фс помощью откачки или налива воды;

2) лабораторное определение k_фв приборах;

3) косвенное определение k_фпутем вычислений по данным гранулометрического состава и пористости породы.

Наиболее общую и достоверную информацию о водопроницаемости пород дают полевые методы определенияk_ф. 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 формуламk_ф.

Лабораторные методы определения k_фявляются 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 расчетk_ф.

Наименее точными являются определения k_фпутем расчёта по эмпирическим формулам, связывающим значенияk_фпороды с её гранулометрическим составом и пористостью. Этот метод применим главным образом для песчаных пород. Расчетные значенияk_фдают лишь приблизительную оценку водопроницаемости породы и могут быть рекомендованы для предварительных ориентировочных расчетов. Для приближенного подсчета величиныk_фпри наиболее часто встречающихся условиях может использоваться формула

; (3)

где d₁₀– действующий диаметр частиц, мм.

Описание движения подземных вод к вертикальным и горизонтальным дренам, радиус влияния и область питания дрен.

Теория движения подземных вод разработана применительно к определению притока воды к вертикальным (скважины, колодцы, щурфы и стволы шахт) и горизонтальным (осушительные канавы, штреки ит.д.) водозаборам.

Вертикальные водозаборы любого назначения, вскрывающие грунтовые и безнапорные межпластовые воды, называются грунтовыми колодцами, а напорные – артезианскими колодцами.

Различают совершенные и несовершенные колодцы. Совершенные доведены до водоупора и имеют проницаемые стенки в пределах всего пласта от подошвы его до динамического уровня воды в колодце.

Грунтовый совершенный водозабор. При откачке уровень воды понизится на величинуS. Вокруг колодца уровень воды примет форму депрессионной воронки. Расстояние, на котором сказывается понижение уровня воды, называется – радиусом влияния колодца. Количество притекающей к колодцу воды определяется по формуле:

1,36k (2H - S)

Q = ---------------------;

lgR – lgr

где k– коэффициент фильтрации, м/сут;

Н– мощность водоносного слоя, м;

R– радиус депрессионной воронки (радиус влияния), м;

r– радиус водозабора (колодца), м.

Из формулы видно, что приток воды в колодец будет тем больше, чем больше коэффициент фильтрации, мощность пласта, понижение уровня, радиус колодца и чем меньше радиус влияния. Величина радиуса влияния зависит от продолжительности откачки воды. Предельной величиной является расстояние от колодца до области питания. Границами области питания служат:

- область выхода водоносного слоя на поверхность;

- река;

- озеро;

- крупное обводненное тектоническое нарушение и др.

Артезианскийсовершенный водозабор. При откачке воды из артезианского совершенного водозаборавода поступает в него со всех сторон в пределах пласта мощностьюm. Уровень воды понижается и устанавливается на высотеhот водоупорного ложа. Приток воды рассчитывается по формуле:

2,73kmS

Q = -----------------.

lgR – lgr

Дебит колодца при понижении уровня на 1м называется удельным дебитомq.Практикой установлено, что прямолинейная зависимость междуQиSимеет место при небольших значенияхS, при больших выражается кривой.

Q 2,73km

q = --- = -----------------.

S lgR – lgr

Приток воды в несовершенный водозабор меньше, чем в совершенный. Величина притока зависит от длины и положения фильтра в колодце.

При полусферической форме дна:

Q = ПdSk.

При плоской форме дна:

Q = 2dSk.

Горизонтальная канава. Может быть совершенной и несовершенной. Величина притока воды с одной стороны (B– длина канавы, м):

H² – h²

Q = kB ------------ или

2R

H + h

Q = kB ------------ J.

2

При двустороннем притоке Qудваивается.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему закон Дарси называют законом линейной фильтрации?

2. Чем отличается совершенный грунтовый или артезианский водозабор от несовершенного?

3. По каким формулам надежнее определяется коэффициент фильтрации песчаных и скальных пород?

4. Нарисуйте схему грунтового водозабора.

5. Нарисуйте схему артезианского водозабора.

Тема 5.4. Факторы, влияющие на обводнённость горных предприятий, методы определения водопритоков в горные выработки, гидрогеологическая классификация месторождений, осушение шахтных и карьерных полей [7, 8, 11, 13, 16, 24].

5.4.1 Факторы, влияющие на обводнённость горных предприятий

При промышленном освоении м.п.и. существенную роль играют подземные воды, которые представляют один из неблагоприятных факторов, оказывающих влияние на ритмичную работу горнотранспортного оборудования. Подземные и поверхностные воды, проникающие в горные выработки, называются – шахтными или рудничными.

К основным факторам, определяющим обводненность месторождений, относятся:

- просачивание воды из поверхностных водотоков (реки, ручьи) и водоемов (фильтрация воды происходит непосредственно из водоемов через аллювиальные отложения и увеличиваются в период паводков),

- обнаженность коренных пород (обводненность прямо пропорциональна обнаженности пород, при мощности покровных отложений более 5м инфильтрация через них поверхностных вод прекращается),

- литологический состав вмещающих пород (обводненность рудных м.п.и. зависит от водообильностипород, вмещающих рудное тело, особенно велико при наличии среди покровных отложений обломочных или карбонатных карстующих пород; меньше обводнены кристаллические и сцементированные породы – сланцы, роговики, кварциты, граниты, песчаники и др.),

- тектоника района (зоны тектонических нарушений являются участками сосредоточенного, а иногда катастрофического поступления воды, по зонам трещим может осуществляться связь пластовых водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами) и др.

На угольных, особенно буроугольных, месторождениях обычно водоносны один или несколько надугольных и подугольных пластов песка, песчаника или известняка, содержащих напорные реже безнапорные воды.

Объем откачиваемой воды в несколько раз превышает количество добываемого п.и. Особая сложность возникает при встрече плывунов (заносит десятки м горных выработок).

Приток воды характеризуется коэффициентом водообильности: отношение количества откачиваемой воды куб.м к количеству добытого п.и. в тоннах за год, сутки (0,6 – 3,4 – средние значения. Донбасс – в 1985г. – 5,6; Львовско-Волынский – от 30 до 630; Криворожский железорудный бассейн – от 0,1 до 600 и при прорывах до 6000куб.м). Водоприток в карьерах от 50 до 1000 куб.м. (можно оценивать на 1 км длины борта карьера).

Разработка обводненных месторождений возможна при условии предварительного и эксплуатационного осушения шахтных и карьерных полей.

Влияние старых затопленных выработок. Работы могут проводиться после перепуска воды через систему скважин.

Влияние незатампонированных разведочных скважин. Работы могут проводиться после обсадки и цементации затрубного пространства.

Влияние неправильного ведения горных работ. Следует отметить недопустимость работ под водными объектами земной поверхности, затопленными зонами провалов – они должны быть засыпаны глиной.