Исследование горных пород

Исследование  горных пород 

 В настоящее  время при инженерных изысканиях широкое применение получили методы статического и динамического зондирования. Это очень простые методы исследований преимущественно песчаных и глинистых  пород, дающие широкую информацию об их плотности, прочности, деформационных свойствах и однородности. Кроме того, с помощью этих методов можно устанавливать изменение геологического разреза по глубине, выявлять глубину залегания и мощность слабых слоев и зон плотных, прочных и коренных пород, а также изменение степени уплотнения, и упрочнения искусственно отсыпанных или намытых пород во времени. Методы зондирования позволяют получать необходимые данные для проектирования и оценки условий строительства свайных фундаментов, шпунтовых ограждений и других видов строительных работ.

 Опыты состоят в задавливании или забивании  в горные породы зонда с коническим наконечником (редко грунтоноса-пробоотборника). При статическом зондировании зонд задавливается в породы, при динамическом — забивается. По тем сопротивлениям, которые оказывают горные породы проникновению в них зонда, судят об их плотности, прочности и других свойствах. Естественно, что такие исследования горных пород не являются достаточно точными, они дают предварительные, главным образом приближенные представления об их свойствах. При сочетании методов зондирования с другими видами геологических работ, результативность их, т.е. точность и достоверность, значительно повышаются.

 Статическое и динамическое зондирование — это  полевые экспресс - методы, для интерпретации результатов которых на предварительных стадиях изысканий их надо обязательно сочетать с разведочными работами — геофизическими и горно-буровыми, а на детальных — использовать в качестве дополнительных с целью повышения детальности изысканий в целом и решения специальных вопросов (например, при проектировании свайных фундаментов и др.).

 ГОСТ 20069—74 и 19912—74 и «Указания по зондированию горных пород для строительства» (СН 448-72) рекомендуют при инженерных изысканиях для конкретных зданий и сооружений зондирование производить в пределах их контуров или не более чем в 5 м от них. Для получения сопоставимых данных часть точек зондирования рекомендуется располагать на расстояниях не более 5 м от разведочных выработок, из которых производят отбор монолитов горных пород для лабораторных исследований и выполняют другие полевые исследования. Практика показывает, что данные зондирования необходимо рассматривать совместно с данными, получаемыми при бурении скважин и проходке горных выработок. Этого требуют ГОСТ 20069—74 и 19912—74. Глубину зондирования определяют исходя из необходимости исследования определенной толщи горных пород как оснований зданий и сооружений. Предельная глубина зондирования не должна превышать 20-и. Область применения статического и динамического зондирования в зависимости от вида и физического состояния горных пород регламентируется данными, приведенными в табл.1.

 Таблица 1.

 Область применения статического и динамического  зондирования по СН 448-72  

 

• Допускается по специально разработанной методике при проведении экспериментальных работ.

 При статическом зондировании основными  показателями свойств горных пород  являются:

 а) общее  сопротивление зондированию R_общ, кгс;

 б) сопротивление  погружению конуса R_кон кгс/см²;

 в) удельное сопротивление погружению конуса R_уд. _кон, кгс/см²;

 г) сопротивление  трению по боковой поверхности зонда R_тр, кгс/см².

 Общее сопротивление горных пород —  это то сопротивление, которое они  оказывают проникновению зонда. Оно равно тому усилию (кгс), которое передается зонду гидравлическим домкратом или весом груза.

 При использовании современных гидравлических установок оно равно

 R_общ = pF_ц,

 где p — показание манометра, отражающее давление в цилиндре гидравлического домкрата, кгс/см²; F_ц — площадь поршня гидравлического домкрата, см².Часть усилий, расходуемых на вдавливание зонда, расходуется на преодоление сил трения между зондом и породой. Если исключить эти сопротивления, получим сопротивление горных пород, оказываемое непосредственно проникновению конуса, т. е. сопротивление погружению конуса R_кон.

 R_кон = R_общ – R_тр.

 Современные установки для статического зондирования позволяют производить измерение  общего сопротивления зондированию по показаниям манометра, а сопротивления  проникновению конуса — по показаниям динамометра и индикаторов часового типа.

 Удельное  сопротивление статическому зондированию конусом равно

 R_уд = R_кон / F_к ,

 где F_к - площадь поперечного сечения конуса, см².

 Удельное  сопротивление — это сопротивление  горных пород проникновению конуса, приходящееся на единицу его поперечного сечения. Международными конгрессами по механике грунтов и фундаментостроению (IV в 1957 г. в Лондоне и V в 1961 г. в Париже) было рекомендовано использовать для статического зондирования конус диаметром 36 мм, площадью 10 см², с углом при вершине 60°.

 Сопротивление горных пород трению по боковой поверхности  зонда равно

 R_тр = R_общ – R_кон

 Современные конструкции установок для статического зондирования позволяют измерять либо общее сопротивление горных пород и сопротивление их погружению конуса, либо сопротивление проникновению конуса и величину трения по боковой поверхности зонда.

 При динамическом зондировании горных пород  основными показателями являются: а) показатель динамического зондирования N; б) глубина погружения зонда от определенного числа ударов стандартного молота S (это число ударов принято называть залогом); в) условное динамическое сопротивление горных пород R_д, кгс/см² (по ГОСТ 19912-74 обозначается p_д, т. е. не так, как оно обозначается международными индексами).

 Показателем динамического зондирования принято  называть число ударов молота, необходимое  для погружения зонда на определенную глубину. В нашей стране эта глубина  принята равной 10 см. Отсюда показатель динамического зондирования равен

 N = 10n / S ,

 где n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

 Показатель  динамического зондирования зависит  не только от сопротивления, оказываемого горными породами проникновению  зонда, но и от сил трения, развивающихся по боковой поверхности зонда при его погружении, и от увеличения его веса с глубиной. Поэтому при обработке результатов испытаний вводят соответствующие поправки на боковое трение пород и на увеличение веса зонда. Эти поправки приводятся в методических руководствах.

 Основным  показателем свойств горных пород  при динамическом зондировании считается  условное динамическое сопротивление  горных пород R_д. Только этот показатель предлагается ГОСТ 19912—74 и «Указаниями по зондированию горных пород для строительства» (СН 448—72). Его вычисляют по формуле

 R_д = KП₀Фn / S ,

 где K — коэффициент для учета потерь энергии при ударе, определяемый по специальной таблице; П₀ — коэффициент для учета влияния применяемого оборудования, определяемый по специальной таблице; Ф — коэффициент для учета трения штанг о горные породы, определяемый по данным двух испытаний, в одном из которых зондирование производится в процессе бурения; n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

 Для статического и динамического зондирования применяют разнообразные установки  и станки. Наиболее часто используют установки конструкции ГПИ Фундаментпроект  марки С-979, БашНИИ-промстроя марки  С-832 и ВСЕГИНГЕО марки СПК. Известны установки конструкции и других организаций. 

Пористость  горных пород 

     Пористость  горных пород, совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах. Количественно  П. г. п. выражается отношением объёма всех пор к общему объёму горных пород (в долях единицы или процентах). Поры в горных породах по величине принято делить на субкапиллярные (менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк), сверхкапиллярные (более 100 мк).

  По  форме поры могут быть различного  типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т.п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют геометрию порового пространства пород.

  Различают  П. г. п. общую (или абсолютную, физическую, полную) — совокупность  всех пор, заключённых в горных  породах; открытую (насыщения) —  объём связанных (сообщающихся) между собой пор; закрытую — совокупность замкнутых, взаимно не сообщающихся пор. В нефтяной геологии выделяют также эффективную П. г. п., т. е. совокупность пор, занятых нефтью, газом, и динамическую П. г. п. — объём пор, через которые при определённых давлении и температуре происходит движение насыщающих жидкостей или газов; она всегда меньше общей П. г. п.

  Наиболее  высокая П. г. п. свойственна  почвам и рыхлым осадкам —  пескам, глинам и др. (до 60—80% и  более). Осадочные и вулканогенные  горные породы (песчаники, известняки, лавы, туфы и др.) характеризуются большим диапазоном значений пористости (от 50 до 10% и менее). Магматические и метаморфические породы обладают, как правило, малой пористостью (0,1—3%). С возрастанием глубины залегания пород П. г. п. обычно уменьшается (особенно осадочных) и на больших глубинах может иметь очень малые значения.

  В  лабораторных условиях П. г.  п. определяется методами свободного, вакуумного (под вакуумом) и принудительного  (под давлением) насыщения горных пород жидкостью, а также методами, основанными на расширении газа, и др. В полевых условиях для оценки величины П. г. п. используются различные виды каротажа скважин. Результаты изучения П. г. п. используются для подсчёта запасов полезных ископаемых (например, нефти и газа), выборе технологии разработки полезных ископаемых и др.

Проницаемость пород и ее распределение

Характер движения нефти или газа к забою добывающей скважины определяется двумя основными  факторами:

• физико-химическими свойствами этих углеводородов;
• структурой порового пространства среды – коллектора, в которой они распространяются.

Для описания течения  углеводородов с учетом этих факторов, наряду с другими характеристиками, вводится понятие проницаемости  горной породы,

характеризующей ее способность пропускать жидкости и газы. Для оценки проницаемости пород обычно пользуются законом фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации (просачивания) жидкости в среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна ее динамической вязкости :

.

Перепишем эту  формулу в скалярной форме для одномерной задачи. Для этого выделим образец породы длиной , и предположим, что ее фильтрационные свойства одинаковы по всей длине. Тогда имеем