Напряжения в водонасыщенных горных породах и геостатическое давление

Напряжения в водонасыщенных породах. В массивах водонасыщенных горных пород невозможно изучить конкретные силовые взаи­модействия между минеральным скелетом и водой в каждой поре или трещине. Для описания этих сложных взаимодействий используют обобщенные показатели. К ним относят напряжения а, статистически усредненные по некоторому объему. В этом случае напряжения опре­деляются как предельное отношение общей силы G(вес пород) к не­которой площади со (сумма контактов минеральных зерен, приходя­щихся на эту площадь) при условии Ѡ-> Ѡ₀, (где Ѡ₀ — элементарная площадка, удовлетворяющая требованиям представительности сплош­ной среды : 

В геологической среде действуют две категории напряжений:1)в минеральном скелете; 2) во внутрипоровой воде. Первые носят название эффективных а_э и характеризуют все механические (прочностные) свойства горной породы (деформация, прочность, сжа­тие, сдвиг и т. п.), а вторые связаны с гидростатическим давлением в жидкости, вызывают всестороннее сжатие минерального скелета, а так как оно мало, его не учитывают и поэтому напряжения назы­вают нейтральными а_н

Так как результирующая гидростатического давления есть взве­шивающая сила, то она уменьшает эффективные напряжения, поэ­тому при осушении водоносные породы уплотняются.

Рассмотрим гидродинамические условия формирования напря­жений и характер их проявления в напорном горизонте многопласто­вой системы . Выделим единичный объем пород, представ­ляющий собой квадратную призму; площадь ее основания Ѡ₀ = 1 м², а высота равна мощности^- z  пород, залегающих над кровлей. Полное’ общее давление р_п, оказываемое столбом пород на единичную площадку Ѡ₀, определяется давлением этих пород вместе с заключенной в них водой и тождественно полному напряжению а_п : 

Схемы, иллюстрирующие формирование геостатического давления в ГДС и взаимодействие полного, эффективного и нейтрального напряже­ний

где, 1 — водоносный песок; 2 — разделяющий слабопроницаемый слой; 3 — водоупор; 4 — ми­неральная частица; 5 — поровая вода. I,II — водоносные слои.

В этом случае принято, что давление действует только в верти­кальной плоскости и не передается на боковые зоны, а весь комплекс водонасыщенных пород ведет себя как абсолютно гибкая плита, т. е. жесткость пород (их противодействие давлению) во внимание не при­нимается, что справедливо, если зона динамического воздействия более чем в 3—5 раз превосходит мощность всего комплекса . Это напряжение уравновешивается нормальной к этой площадке реакцией скелета породы a_эр и гидродинамическим давлением, дейст­вующим во внутрипоровой воде, т. е. a_н, и тогда a_п = a_эр + a_и. На­пряжение a_э, характеризующее силу взаимодействия частиц мине­рального скелета, по величине равно a_эр, и, рассматривая абсолют­ные значения напряжений, можно записать:

Геостатическое давление в подземных водах

 Если переписать фор­мулу выше иначе: а_н = а_п — а_э, то можно прийти к выводу, что пла­стовое давление воды изменяется не только при изменении гидроста­тических напоров под влиянием откачки или нагнетания, но и под влиянием изменения давления на кровлю водоносного пласта в ре­зультате уменьшения или увеличения мощности залегающих в его кровле пород. Последнее явление можно наблюдать, изучая геоло­гическую историю развития ГГС или техногенные воздействия (сооружение плотин и водохранилищ, крупных карьеров ).

Пластовое давление воды, формирующееся под влиянием измене­ния веса вышележащих пород, называют геостэтическим и считают наравне с гидростатическим давлением основной силой, фор­мирующей движение подземных вод в водоносных пластах.

Возникновение движения воды в напорном пласте в результате проявления упругих свойств пласта в целом можно представить сле­дующим образом. Положим, что вес вышележащих пород в кровле пласта не изменяется, т. е. а_п — 0.. Сами минеральные зерна сжимаются мало, сжимается цементи­рующее их вещество, зерна перемещаются в сторону пустот, происхо­дят уменьшение объема пор и вытекание из них воды. Одновременно снижение пластового давления приводит к упругому расширению самой воды и наблюдается дополнительный отток ее из пор и поступ­ление в скважину. При этом считается, что уменьшение объема пор, упругое расширение и вытекание воды из пор происходят одновре­менно.