Определения коэффициента фильтрации

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

 

Кафедра: Физика горных пород.

 

Отчёт по лабораторной работе № 4

 

 

 

Тема: «Определение коэффициента фильтрации»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  гр. ВД-12           ______________                          /Солодилов А.Н./

                                                                                                                                         (подпись)                                                                    (Ф.И.О.)  

 

 

 

Проверил:           аспирант                        ____________                       /Ишевский В.А./

                                                        (должность)                                                             (подпись)                                                                        (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2014

Цель работы:

Определить коэффициент фильтрации образца.

Общие сведения:

Под влажностью понимают способность горной породы содержать при стандартных условиях массовую долю физически связанной и свободной воды. О физически связанной воде судят по изменению массы породы при прогревании ее в течение определенного времени при температурах 105…110 0С.  

В настоящее время предложено следующее подразделение видов воды в породах:

1. Вода в форме пара.
2. Физически связанная вода: 1) прочносвязанная (гигроскопическая) вода; 2) слабосвязанная (пленочная) вода.
3. Свободная вода: 1) капиллярная вода; 2) гравитационная вода.
4. Вода в твердом состоянии.
5. Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

Гигроскопическая влага – максимальная массовая доля воды, поглощаемой породой из воздуха.

 Гигроскопичность является характеристикой абсорбционных свойств породы и определяется при воздушно-сухом состоянии породы, т.е. в состоянии термодинамического равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха. Считается, что гигроскопическая влага, как и физически связанная вода, полностью удаляется из породы при температуре 105…110 0С.

Общая влага (полная влагоемкость) – максимальная массовая доля свободной и физически связанной воды, которую способна вместить порода.

Водоотдача. Этот параметр определяется как разность полной влагоемкости и гигроскопической влаги породы. Водоотдача характеризует статические запасы воды, выделяемые в выработанное пространство при вскрытии месторождения.

Фильтрация жидкости и газа в горных породах. Движение газа или жидкости в породах происходит в поровом пространстве под действием градиента давления и подчиняется, в основном, линейному закону Дарси.

Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) — закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде Исторически закон был получен А. Дарси экспериментально, но может быть получен с помощью осреднения уравнений Навье-Стокса, описывающих течение в масштабе пор (в настоящее время имеются доказательства для пористых сред с периодической и случайной микроструктурой). Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:

где:  — скорость фильтрации,  — коэффициент фильтрации,  — градиент напора.

Градиент напора - безразмерная величина потерь напора на единицу пути подземного или поверхностного потока (движение жидкости), отражает степень сопротивления среды.

Коэффициент фильтрации – величина равная скорости фильтрации породы при единичном напорном градиенте.

Особенностью фильтрации газа в отличии фильтрации жидкости при изотермических условиях заключается в зависимости плотности газа от давления.

Движение жидкости в горных породах оказывает следующее влияние на их физико-механические свойства: эффект суффозии (вынос или вымывание мелких частиц рыхлой породы), создающий предпосылки оползнеобразования; деформация глинистых пород (пучение); снижение прочности полускальных пород за счет возникновения ослабленных поверхностей скольжения по направлениям сланцеватости или прослоям слабой прочности.

Формула коэффициента фильтрации:

 

Где:

 – объем профильтровавшейся  воды при одном замере, см3;

 – средняя продолжительность  фильтрации (по замерам при одинаковых  расходах воды), с;

 – площадь поперечного сечения  цилиндра фильтрационной трубки, см2;

 – градиент напора;

= (0,7+0,03 Тф) – поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 10о С, где Тф – фактическая температура воды при испытании, оС;

864 – переводной  коэффициент (из см/с в м/сут).

 

 

 

 

 

 

Схема:

Установка КФ - ООМ

1 - цилиндр; 2 - муфта; 3 - перфорированное  дно; 4 - латунная сетка; 5 - подставка; 6 - корпус; 7 - крышка; 8 - подъемный винт; 9 - стеклянный баллон со шкалой  объема фильтрующейся жидкости; 10 - планка со шкалой градиентов  напора; 11 - испытуемый образец грунта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Порядок выполнения лабораторной работы:

• Вращением подъемного винта устанавливают цилиндр с грунтом до совмещения отметки необходимого градиента напора на планке с верхним краем крышки корпуса и доливают воду в корпус до верхнего его края.
• Заполняют мерный стеклянный баллон водой и, опрокидывают отверстием вниз быстро вставляют в муфту фильтрационной трубки.
• Отмечают время, когда уровень воды достигнет деления шкалы мерного баллона, отмеченного цифрой 10 (или 20) см3, принимая это время за начало фильтрации воды
• Фиксируют время, когда уровень воды достигнет соответственно делений (20, 30, 40 50 (20, 40, 60, 80) см3 или других кратных значений.
• По формуле коэффициент фильтрации находят сам коэффициент.

 

 

 

 

Ход работы:

Площадь поперечного сечения цилиндра фильтрационной трубки А = 25 см3

Тф = 22 оС

Т = (0,7 + 0,03*Тф) = 1,36 оС

Градиент напора J = 0,8

Средний объем профильтровавшейся жидкости мы взяли равным 10 см3

Средняя продолжительность фильтрации (по замерам при одинаковых расходах воды) находится как среднее арифметическое из измерений записанных в таблицу 1:

Таблица 1 (Замеры продолжительности фильтрации при расходах воды равным 10 см3):

Изменение объема цилиндра	Продолжительность фильтрации
10-20	31
20-30	27
30-40	23
40-50	20

 

Средняя продолжительность фильтрации равна:

tm = (31+27+23+20)/4 = 25,25 (c)

Подставляя все полученные значения в формулу коэффициента фильтрации получим:

 (м/сутки)

Вывод:

С помощью установки КФ – ООМ показанной на схеме, и простых измерений, найден коэффициент фильтрации образца равный 12,56 метрам в сутки. По таблице 1, можно заметить уменьшение времени фильтрации связанное с водонасыщением грунта и создание капилляров по которым вода проходит образец за меньшее время.