Лекции по дисциплине «физика горных пород» навоий 2017 Жиянов А. Б. Курс лекции по дисциплине «Физика горных пород»

Лекция № 7
Тема : ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
План лекции (с.80-85/1/):

1. 
   Содержание жидкостей и газов в породах.
   
2. 
   Перемещение жидкостей и газов в породах
   

1. 
   Содержание жидкостей и газов в породах.
   

Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипса CaSO₄·2H₂O. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое – безводное соединение.
Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твёрдыми частицами пород, обволакивая их в виде плёнки. Её количество зависит от смачиваемости пород.
Смачиваемость – это способность горной породы покрываться плёнкой жидкости. Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т.е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счёт электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.
Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74·10³ кг/м³), низкую температуру замерзания
(-78ºC), малые значения теплоёмкости. Она удаляется из породы только нагреванием свыше 105-110ºC.
Максимальное количество связанной воды, которое способны адсорбировать породы, оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоёмкости.
Максимальная гигроскопичность ω_г – наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.
Молекулярная, или плёночная влагоёмкость ω_м – количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:

ω_м = (m_м – m_c)/ m_c

где m_м- масса влажного образца породы; m_c –масса образца породы, высушенного при температуре 105-110˚С.

ω_м > ω_г

Влажные породы обладают способностью избирательно адсорбировать наряду с водой ионы из насыщающего породу раствора, т.е. обладают ионосорбционной способностью. Это явление важно при изучении электрохимических реакций в породах, электрической проводимости и электрических полей в массивах.

Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды , заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или давления.
Количество капиллярной воды оценивается параметром капилярной влагоёмкости.
Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется её полной влагоёмкостью (массовой и объёмной).
Массовая полная влагоёмкость

ω_п = (m_n – m_c)/ m_c

Объёмная полная влагоёмкость

ω_п.об = V_ж/ V = ω_пρ/ρ_ж

где m_n – масса породы, максимально насыщенной водой; V_ж- объём воды, заполняющей породу [V_ж = (m_n – m_c)/ ρ_ж ]; V – объём породы; ρ_ж - плотность воды; ρ –объёмная масса породы.

По величине объёмная влагоёмкость примерно равна открытой пористости пород.
Для оценки породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности ω_е, равным относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщенности k_вн, указывающим на степень насыщения породы водой.

k_вн = ω_е/ω_п = V_в/ V_п

где V_в и V_п – объём воды и пор в породе соответственно.

Извлечь всю воду из увлажнённой породы механическими средствами невозможно. При любом механическом воздействии в породе остаётся физически связанная вода. Способность породы отдавать воду при механическом воздействии характеризуется водоотдачей ξ:

ξ = ω_п – ω_м

Величина водоотдачи зависит от размеров частиц, образующих породу, величины и взаимного расположения пор. Слабая водоотдача пород обычно снижает производительность механической и гидравлической разработки пород, затрудняет осушение месторождения, транспортирование и дробление полезного ископаемого.

В породах кроме воды встречаются также нефть и газы.
Характер распределения в порах воды, нефти и газа предопределяет многие физические свойства этих пород, в частности очень сильно сказывается на их электросопротивлении.
В общем случае сумма объёмов нефти V_н, газа V_г и воды V_в в нефтегазоводонасыщенных породах равна объёму порового пространства пород V_п и, следовательно,

V_н/ V_п + V_г/ V_п + V_в/ V_п = 1