Емкостные свойства горных пород

Емкостные свойства горных пород проявляются в условиях неста­ционарной фильтрации, т. е. при колебаниях уровня воды, и характе­ризуют, с одной стороны, способность пород поглощать или отдавать свободную воду, а с другой — особенности протекания самих процес­сов насыщения и осушения. Различают гравитационную и упругую емкости. В грунтовых водах главную роль играют процессы гравитационного насыщения (при подъеме уровня) или осу­шения (при снижении уровня), в напорных — упругого сжатия или расширения воды и пород, вызывающие перераспределение давления в пласте.

Гравитационная емкость горных пород. Гравитационная емкость горных пород физически показывает, какой объем свободной воды может вместить или отдать выделенный объем пласта гравитацион­ным насыщением или осушением. В первом случае пользуются пока­зателем, который называется гравитационным недостат­ком насыщениями µ_и, во втором — гравитационной водо­отдачей µ_в. Их определяют по формулам:

Ориентировочно принимают следующие значения µ_в: для песков 0,1—0,35; для супесчано-суглинистых пород 0,05—0,1; для глин 0,05—0,005; для трещиноватых известняков 0,001—0,1; для трещино­ватых песчаников 0,02—0,03. Из формулы выше следует, что значе­ния µ_и различны во времени для одних и тех же пород.

График изменения влажности в капиллярной зоне

где,1,2 — исходное и текущее положения уровня свободной по­верхности; 3, 4 — начальная и текущая эпюры распределения влажности; 5 — стационарная эпюра влажности при положе­нии уровня 2.

Процессы гравитационного стекания и на­сыщения количественно стали детально изучать в основном с 1970-х гг. Было установлено , что µ изменяется во времени и зависит от скорости опускания свободной поверхности. Формирование гравитационной емкости связа­но с переформированием капиллярной зоны и передачей воды из ее верхней части на свобод­ную поверхность уровня грунтовых вод при его опускании или, наоборот, подачей воды из водоносного пласта в капиллярную зону при подъеме уровня воды. При по­нижении уровня капиллярная зона растягивается и изменение гра­витационной емкости замедляется, потом в ней наступает динами­ческое равновесие, влажность по высоте не изменяется, и зона опу­скается параллельно самой себе со скоростью перемещения свобод­ной поверхности. В соответствии с этим коэффициент µ постепен­но увеличивается и достигает предельного значения при стабилиза­ции формы эпюры влажности в капиллярной зоне (рисунок выше). Матема­тическое описание динамики водоотдачи дал Н. Боултон ,а физи­ческое — В. М. Шестаков, который предложил при оценке процессов осушения использовать приведенную капиллярную зону эффективной высотой h_к, имеющую полное водонасыщение с прони­цаемостью к_к. Он показал теоретически, что для песков при к = 10 м/сут, h_К — 0,1 ми скорости снижения свободной поверхности 0,01 м/сут водоотдача может быть оценена с погрешностью 20 % от ее предельного значения примерно через одни сутки, а для супесей — через несколько месяцев.

В гетерогенных породах, характеризующихся двойной пористостью или двойной трещиноватостью, гравитационная емкость определяется внутренней структурой порово-трещинного пространства породы и той структурой, которая связана с наличием микрослоистости или круп­ных трещин. Крупные трещины и макропоры являются основными путями фильтрации. Объемное содержание их в породе незначительно, они не определяют емкостные свойства гетерогенной среды. Слабо­трещиноватые блоки или агрегаты пород характеризуются невысокой проницаемостью, но формируют основные емкостные свойства такой среды. Ее осушение происходит в два этапа: на первом быстро осу­шаются крупные трещины или макропоры (для этого этапа харак­терны низкие значения µ, а на втором осушаются блоки и агрегаты (характерны высокие значения µ. При быстром осушении крупных трещин гидравлическая связь между блоками может быть нарушена и осушение их может прекратиться. Исследование процесса форми­рования гравитационной емкости важно при изучении движения влаги.