Газообразная составляющая горных пород

Содержание жидкостей в породах

Газодинамические и гидродинамические свойства горных пород

Горные породы состоят из твердой, жидкой и газообразной компонент. Наиболее стабильной является твердая компонента. Жидкая (вода при отрицательных температурах переходит в твердое состояние лед), может истекать, испаряться.

Влажность горных пород - количество воды, содержащейся в данный момент в породе, выраженное в процентах или долях единицы веса абсолютно сухой породы. Если влажность определена по естественным образцам породы, её называют естественной. Различают влагу горных пород:

а) абсолютную - выраженную по отношению к весу абсолютно сухой породы (высушенной при температуре 105 - 1100 С);

б) весовую - отношение веса воды к весу абсолютно сухого образца породы, выраженное в процентах или долях единицы;

в) естественную - содержание воды в породах в условиях естественного залегания, зависимое от условий залегания и физических свойств пород, а также от водного и теплового режима земной коры в данном районе;

г) объемную - отношение объема воды в породе к объему всей породы, выраженную в процентах или долях единицы;

д) относительную - отношение объема воды в породе к объему всей породы, выраженное в процентах;

е) полную - отношение веса воды в объеме всех пор к весу скелета породы;

ж) приведенную - отношение объема воды к объему скелета породы.

В пористых и трещиноватых породах всегда имеется то или иное количество воды. По виду связи воды с породами выделяют химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, что свойства горных пород зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонент.

Наличие пор и трещин в горных породах определяет возможность заполнения их различной жидкостью и газами. Наиболее часто поры и трещины в горных породах заполнены водой. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода входит в состав кристаллической решётки минералов, из которых состоит горная порода, например гипса CaSo₄∙2H₂Oили каолинитаAl₂(OH)₄∙Si₂O₅. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращая его в другое – безводное соединение. Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при её нагревании. Из-за нарушения кристаллической решётки минерала при выделении из него химически связанной воды происходит ослабление и разрушение горных пород, а для таких пород как глины – упрочнение.

Физически связанная водасоединена молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, покрывая их в виде пленки.. Ее количество зависит от смачиваемости пород.. Физически связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74 г/см3), низкую температуру замерзания (-780 С), низкие теплоемкость, диэлектрическую проницаемость, электропроводность и не является растворителем. Она удаляется из породы только нагреванием до температуры 1100С. Поэтому наличие такой воды значительно изменяет физические свойства пород.

Количество физической воды зависит от смачиваемости пород.

Смачиваемость пород – это способность пород покрываться пленкой жидкости Смачиваемость пород обуславливается их способностью концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростатического притяжения.. Величина смачиваемости твердой поверхности жидкостью характеризуется краевым углом между плоскостью твердого тела к поверхности капли, проведенной из точки касания капли с телом.

Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т.е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым породам. Частично или полностью несмачиваемые породы серы, угли битумные песчаники и некоторые другие породы.

Адсорбционная способность пород возрастает при наличии в них растворимых солей, глинистых минералов, а также с увеличением поверхности твердой фазы.

Физически связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74∙10³кг/м³), низкую температуру замерзания (-78⁰С), малые значения теплоемкости, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости, не является растворителем. Такая вода удаляется из породы только нагреванием свыше 105-110⁰С.

Максимальная гигроскопичностьw_г – наибольшее количество влаги, которое способнаадсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.

Молекулярная или пленочная влагоемкостьw_м –количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:

где m_м– масса влажного образца породы; m_с – масса образца, высушенного при температуре 105-110⁰С.

Молекулярная влагоемкость больше максимальной гигроскопичности w_г (m_м>w_г) за счет наличия в породе слабо связанной пленочной воды, отличием которой от физически (прочно) связанной воды является способность передвигаться по действием молекулярных сил. Молекулярная влагоемкость зависит от размеров зерен, слагающих породу. Для кварцевых частиц размером 0,1-0,05 мм молекулярная влагоемкость m_м составляет 0,02%, для части ц размером менее 0,001m_м= 0,86%. Однако основное влияние на величину молекулярной влагоемкости оказывает минеральный состав пород. Кварцевые пески содержат наименьшее количество связанной воды – 0,24%, лессы –5,2%, глины – 10-30%.

Свободная вода в породах может находится в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, в виде гравитационной воды, заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести и давления. Количество капиллярной воды оценивается параметром капиллярной влагоемкости.

В зависимости от минерального и гранулометрического состава пород, формы частиц соотношение количества различных видов воды в породах может быть разным.

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 напора.

Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется ее полной влагоемкостью ωп:

Для характеристики породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности ωе, равному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях. Коэффициент водонасыщения указывает на степень насыщения породы водой в природных условиях:

Различие в составе атмосферного воздуха и газов в горных породах заключается в содержании углекислого газа СО₂, кислорода О₂ и азота N₂. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (~0,03%), то содержание ее в горных породах достигает десятых и даже целых процентов, а в зоне аэрации почти 10%. Кислород и азот в толще горных содержатся в различных количествах. В зоне аэрации как правило, меньше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что в этой зоне происходят процессы поглощения кислорода и азота, выделение углекислоты. В состав газообразной компоненты входит также вода в форме пара.

Содержание воды и газов в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – озоном, метаном, сероводородом и другими газами. Метан, сероводород, угарный газ ядовиты, и могут содержаться в горной породе в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках.

Интенсивность газообмена между атмосферой и горной породой зависит от состава и состояния и повышается с увеличением содержания и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в порах горных пород могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Адсорбированные газы удерживаются на поверхности минеральных частиц под воздействием молекулярных сил. Благодаря этим силам в сухих горных породах на поверхности минералов образуются полимолекулярные газовые пленки. Количество адсорбированных газов в горных породах зависит от их минерального состава, и пористости. Значительной адсорбционной способностью обладают окиси железа и органические вещества. Для кварцевого мелкозернистого песка содержание адсорбированных газов было определено в 1 см3 на 100 г, т. е. в несколько раз меньше его обычного содержания в почвах. При увлажнении горных пород происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой.

Свободный газ подразделяется на не защемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится определенное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах горных пород и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие извлечения горной массы может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры горных пород. Увеличение давления при передаче нагрузки от различных механизмов может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью минеральной составляющей горной породы.

При повышении уровня подземных вод в обводненных горных породах задерживается защемленный газ. На обводненных горных породахповышается сейсмичность. Защемленный воздух способствует снижению скорости прохождения сейсмических волн.

Горные породы угольных месторождений содержат такие природные газы как метан, углекислый газ, азот, тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан, пентан, гексан и их соединения), водород, окись углерода, сероводород и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.). Наиболее распространенными газами являются метан, углекислый газ и азот, определяющие газоносность месторождения. Остальные газы встречаются в виде примесей.

В генетическом отношении газы угольных месторождений неразрывно связаны с накоплением и со всей геологической историей формирования угленосной толщи. Основным источником возникновения газов являютсябиохимические процессы, выражающиеся в разложении и углеобразовании скоплений органического вещества. При этом в горную выработку выносится от нескольких тонн до десятков и сотен тысяч тонн угля на расстояние до 40-500 м и более и от десятков до сотен тысяч метров кубического газа.

Газы а горных породах распределяются неравномерно по мере понижения горных работ в массиве выделяют зону газового выветривания, зону азотно-углекислых газов и углекисло-азотных газов (практически не содержат метана), зону метаново-азотные и азотно-метановые (с газообильностью выработок 2-3 м3/т, иногда 10-15 м3/т

Лекция 10 (4 часа)

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 696; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!