МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» ГИДРОГЕОЛОГИЯ Лабораторный практикум Минск БНТУ 2013 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» ГИДРОГЕОЛОГИЯ Лабораторный практикум для студентов очной и заочной форм обучения специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» (по направлениям) Минск БНТУ 2013 2 УДК 556.3(076.5)(075.8) ББК 26.35я7 Г46 Составители : Ф. Г. Халявкин, С. Г. Оника Рецензенты: Н. С. Данилова, Н. И. Березовский Гидрогеология : лабораторный практикум для студентов очной и заочной форм обучения специальности 1-51 02 01 «Разработка ме- сторождений полезных ископаемых» (по направлениям) / сост. : Ф. Г. Халявкин, С. Г. Оника. – Минск : БНТУ, 2013. – 34 с. ISBN 978-985-550-196-2. Лабораторные работы содержат задание, общие сведения, описание прибора, по- рядок выполнения работы, методику обработки полученных данных и контрольные вопросы по каждой работе. УДК 556.3(076.5)(075.8) ББК 26.35я7 ISBN 978-985-550-196-2 © Белорусский национальный технический университет, 2013 Г46 3 ВВЕДЕНИЕ Подземные воды в жизни людей играют очень важную роль, так как издавна используются человеком для питьевого и хозяйственно- технического водоснабжения. Вместе с тем, во многих отраслях народного хозяйства, в том числе и горнодобывающей промышлен- ности, подземные воды в большинстве случаев играют отрицатель- ную роль. Для предотвращения затопления или подтопления карье- ров, рудников и шахт применяют различные дренажные сооруже- ния и водоотливные установки. Выбор конкретных осушительных мероприятий и сооружений во многом зависит от гидрогеологиче- ских условий залегания полезного ископаемого. Работники горнодобывающей отрасли, которые непосредственно занимаются разведкой месторождений полезных ископаемых, раз- работкой технических проектов, строительством и эксплуатацией карьеров, рудников и шахт должны знать вопросы рудничной гид- рогеологи, как науки о подземных водах и способах борьбы с ними. Одним из путей познания вопросов рудничной гидрогеологии явля- ется выполнение лабораторных работ, которые предусматривают определение вязкости и химических свойств рудничной воды, ос- новных водных свойств горных пород, вмещающих рудничные во- ды, а также проверку основного закона динамики подземных вод – закона Дарси. 4 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ Цель работы: определение вязкости жидкости вискозиметром Энглера. Общие сведения Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротив- ление относительному движению (сдвигу) ее частиц. Она обуслов- ливает наличие сил внутреннего трения, возникающих при движе- нии реальной жидкости. Вязкость жидкости может быть выражена в градусах Энглера оЕ, кинематическим  и динамическим  коэф- фициентами. С увеличением температуры вязкость капельных жид- костей (вода, нефть, масло, бензин) уменьшается, а с увеличением давления – увеличивается. Определяют вязкость жидкостей с помощью специальных при- боров – вискозиметров. Описание прибора Вискозиметр Энглера (рис. 1.1) состоит из двух резервуаров 3 и 11. Внутренний резервуар 3 имеет сферическое дно, в центре кото- рого припаена трубка 4, в отверстие которой вставлен калиброван- ный конический насадок 9, через который вытекает исследуемая жидкость. Отверстие насадка закрывается заостренным на конце стержнем 1. Вертикальная установка прибора производится с по- мощью винтов 6. Внешний резервуар 11 играет роль водяной ванны, изменением температуры воды в которой устанавливают необходимую темпера- туру исследуемой жидкости, контролируемую термометром 13. Под насадок 9 устанавливается стеклянная колба 5 с двумя рис- ками 7. Нижняя риска соответствует емкости колбы 100 см3, верх- няя – 200 см3. 5 Рис. 1.1. Вискозиметр Энглера Порядок выполнения работы Определение вязкости вискозиметром Энглера заключается в сопоставлении времени истечения 200 см3 исследуемой жидкости через насадок 9 при заданной температуре со временем истечения того же объема дистиллированной воды tв при температуре 20 оС. Для этого снимают с вискозиметра крышку 12, убеждаются в чи- стоте резервуара 3. В насадку 9 вставляют стержень 1 и в резервуар 3 наливают примерно 240 см3 исследуемой жидкости. О вертикаль- ности положения оси прибора судят по крючкам 10, находящимся в резервуаре 3. Крышку 12 закрывают, и под насадку 9 ставят пустую колбу 5. Придерживая крышку 12, вынимают стержень 1 и одно- временно включают секундомер. Когда уровень жидкости в колбе достигнет верхней риски 7, секундомер выключают. Полученное 6 время tж в секундах и есть время вытекания 200 см3 исследуемой жидкости. Определение tж повторяют 3 раза. Обработка экспериментальных данных Вязкость жидкости в градусах Энглера оЕ определяют по формуле , в жo t t E  где tж – среднее опытное значение времени вытекания 200 см3 ис- следуемой жидкости, с; tв – время истечения 200 см3 дистиллированной воды, равное 51 с. Переход от вязкости в градусах Энглера к кинематическому ко- эффициенту вязкости  производится по формуле Уббелоде E E o o 0631,00731,0  , см2/с. Динамический коэффициент вязкости  жидкости определяют по формуле  , Па·с, где  – кинематический коэффициент вязкости;  – плотность исследуемой жидкости, определяемая с помощью ареометра. Полученные значения коэффициентов вязкости сопоставляются со справочными, а все данные измерений и вычислений результатов опытов вносятся в соответствующие графы табл. 1.1. 7 Таблица 1.1 И сс л ед у ем ая ж и д к о ст ь № о п ы та Т ем п ер ат у р а ж и д к о ст и t o П л о тн о ст ь ж и д к о ст и Время исте- чения 200 см3 Вязкость исследуемой жидкости по данным опытов по справочнику и сс л д . ж и д -т и t ж д и ст и л л . во д ы t в условн. в град. Энгле- ра, оЕ ки- не- ма- тич.к оэф. вязк.  дина- мич. коэфф. вязк.  кине- матич. коэфф. вязк.  дина- мич. коэфф. вязк.  масло тех- нич. 0,30 0,025 Контрольные вопросы 1. Что такое вязкость жидкости и чем она обусловлена? 2. Единицы измерения вязкости жидкости. 3. Устройство вискозиметра Энглера. 4. Порядок определения вязкости жидкости. 5. Расчетные зависимости перехода от вязкости в градусах Эн- глера к кинематическому и динамическому коэффициентам вязко- сти. 8 Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ Общие сведения Щелочность воды, в т.ч. и рудничной, создается ионами гидрок- сила ОН  – гидратная щелочность и ионами 2 3CO – карбонатная щелочность. Эти ионы образуются в воде в результате диссоциации оснований или гидролиза солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием 2 3CO + OH2 OHHCO3 OHHCO 23   OHCOH 32 Ионы гидроксила могут также образовываться при гидролизе гуминовых соединений. Щелочность измеряется числом миллиграмм – эквивалентов данного иона в 1 л воды (мг-экв/л). Общая щелочность равна сумме отдельных видов щелочности. Если вода содержит гидратную и карбонатную щелочность, то ее рН > 8,2. Источником 2 3CO и  3HCO в природе служат различные кар- бонатные породы – известняки, доломиты, мергели, карбонатный цемент многих осадочных пород, а также некоторые органические вещества, при разложении и окислении которых выделяется угле- кислота, реагирующая с окружающими породами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Определяют щелочность титрованием 0,1н раствором соляной или серной кислоты последовательно с индикатором фенолфталеи- ном и метилоранжем. При титровании с фенолфталеином протекают реакции нейтра- лизации гидроксильных ионов OH и карбонатных ионов с образо- ванием воды и гидрокарбонатов OHHOH 2  9 2 3CO  H 3HCO Следовательно, расход кислоты на титрование с фенолфталеи- ном эквивалентен содержанию гидроокисей и половины карбона- тов, так как последние нейтрализуются только наполовину до  3HCO . Таким образом, [0,5][OHЩф   2 3CO ], где фЩ – свободная щелочность воды в мг-экв/л; ][OH и [ 23CO ] – концентрация гидроксильных и карбонат- ных ионов в мг-экв/л. При дальнейшем титровании в присутствии метилоранжа прохо- дит реакция нейтрализации гадрокарбонатов.  3HCO + OHCOH 22  . Следовательно, весь расход кислоты от начала нейтрализации и до конца эквивалентен содержанию ионов [][OHЩM   2 3CO ] + [  3HCO ], где MЩ – общая щелочность воды, мг-экв/л. Следует отметить, что при рН воды ниже 4,3 ее щелочность равна нулю. Общая щелочность определяется титрованием 0,1н кислотой с индикатором метилоранжем, имеющим переход цвета в интервале рН 3,1–4,4. В этих условиях титруются и гуматы, давая соответ- ствующие гуминовые кислоты. Так как щелочность выражается в мг-экв/л, то число израсходо- ванных миллилитров 0,1н кислоты на титрование 100 мл воды дает непосредственно щелочность воды. 10 Задание. Определить щелочность рудничной, болотной и грун- товой воды. Реактивы: 0,1н раствор HCl ; фенолфталеин 1%-ный раствор в 60%-ном спирте; метилоранж (0,03 %). Порядок выполнения работы 1. В коническую колбу на 250 мл берут по 100 мл испытуемой воды и вносят 2–3 капли раствора фенолфталеина. 2. Если первоначальная проба приобрела при добавлении фе- нолфталеина малиновый цвет, то это говорит о присутствии в воде гидратной и карбонатной щелочности. 3. Пробу титруют 0,1н раствором HCl до обесцвечивания. В этом случае титруется гидратная и половина карбонатной щелочно- сти. Отмечают количество HCl , пошедшей на титрование. 4. В ту же пробу добавляют 2–3 капли метилоранжа и дотитро- вывают вторую половину карбонатной щелочности, отмечая коли- чество HCl , пошедшей на дотитровывание. 5. Если в пробе отсутствовала гидратная щелочность, то при первом титровании (с фенолфталеином) титруется половина карбо- натной щелочности, а при втором – (с метилоранжем) – вторая по- ловина карбонатной, бикарбонатная и гуматная щелочность. 6. В случае отсутствия гидратной и карбонатной щелочности (проба осталась бесцветной при добавлении 2–3 капель фенолфта- леина) в пробу добавляют 2–3 капли метилоранжа и титруют 0,1н раствором HCl до перехода желтой окраски в оранжевую, опреде- ляя таким образом суммарную бикарбонатную и гуматную щелоч- ность. 7. В каждом варианте испытаний щелочность воды рассчитыва- ют по формуле 2 1 1000Щ V NV   , где Щ – щелочность воды, мг-экв/л; 1V – объем 0,1н раствора HCl , пошедшего на титрование, мл; 11 N – нормальность рабочего раствора кислоты HCl ; 2V – объем воды, взятой на исследование, мл. Контрольные вопросы 1. Что такое щелочность воды? 2. Каким числом измеряется щелочность? 3. Что является источником увеличения щелочности рудничной воды? 4. Методика определения щелочности воды. 12 Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ КИСЛОТНОСТИ ВОДЫ Общие сведения Кислотность рудничной воды с рН более 4,5 зависит в основном от содержания свободной двуокиси углерода и в некоторых случаях от присутствия гуминовых и других слабых органических кислот. Если рН воды менее 4,5, в ней содержатся сильные кислоты, соли сильных кислот и слабых оснований. Различают следующие виды кислотности: общая, свободная и кислотность, зависящая от содер- жания гуминовых кислот. Общая кислотность – эквивалентна расходу сильного основа- ния (например, NaOH ) на реакцию с сильными и слабыми кисло- тами (включая 2CO ) при доведении рН раствора до 8,3. Свободная кислотность – эквивалентна расходу сильного осно- вания на реакцию только с сильными кислотами при доведении рН до 4,5. Концентрация гуминовых кислот – эквивалента расходу силь- ного основания на титрование пробы воды после удаления из нее свободной двуокиси углерода, от рН 4,5 до рН 8,3. Задание. Определить свободную и общую кислотность руднич- ной воды в контрольных пробах при рН до 4,5 и рН более 4,5. Реактивы: 0,1н раствор NaOH ; фенолфталеин 1%-ный раствор в 60%-ном спирте. Порядок выполнения работы 1. В коническую колбу емкостью 250 мл наливают 100 мл иссле- дуемой воды и прибавляют 2–3 капли фенолфталеина. 2. Пробу титруют 0,1н раствором NaOH до появления слаборо- зовой окраски, не исчезающей 1–2 мин. 3. Расчет кислотности ведут по формуле 13 2 1 1000 V NV K   , где K – кислотность воды, мг-экв/л; 1V – объем 0,1н раствора NaOH , пошедшего на титрование, мл; N – нормальность рабочего раствора кислоты NaOH ; 2V – объем исследуемой пробы воды, мл. Контрольные вопросы 1. Чем обусловливается кислотность рудничной воды? 2. Что такое общая, свободная и гуминовая кислотность воды? 3. Методика определения свободной и общей кислотности воды. 14 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И КАПИЛЛЯРНОЙ ВЛАГОЕМКОСТИ ГРУНТОВ Общие сведения Влагоемкостью горной породы называется ее способность вме- щать и удерживать в своих порах определенное количество воды. Различают следующие виды влагоемкости: гигроскопическую, мо- лекулярную, капиллярную и полную. Гигроскопическая влагоемкость обуславливается способно- стью горной породы притягивать из воздуха парообразную влагу и удерживать ее на своей поверхности. Ее величина зависит от влаж- ности воздуха и своего максимального значения она достигает при относительной влажности воздуха 100 %. Молекулярная влагоемкость – это способность горной породы удерживать с помощью электромолекулярных сил пленочную воду, находящуюся в жидкой фазе. Она зависит от гранулометрического и минерального состава горной породы. Капиллярная влагоемкость обуславливается способностью гор- ной породы насыщаться влагой за счет капиллярных сил. Полная влагоемкость горной породы соответствует объему всех пор и пустот. Задание. Определить максимальную молекулярную и капилляр- ную влагоемкость песков методом «высоких колонн». Принадлежности: прибор для определения влажности методом «высоких колонн»; образец раздельнозернистой породы; фарфоро- вые чашечки (или бюксы) 9 штук, шпатель, весы, сушильный шкаф, щипцы. Описание прибора Определение максимальной молекулярной и капиллярной влаго- емкости для песков производится с помощью прибора «Высокая колонна», схема которого показана на рис. 4.1. 15 Рис. 4.1. Схема прибора для определения максимальной молекулярной и капиллярной влагоемкости песков Прибор состоит из металлической колонны 1 длиной 1 м. В дно колонны впаяны две трубочки 4 и 5. Колонна по высоте имеет де- вять отверстий 2 диаметром 1,5 см, расположенных друг от друга на расстоянии 10 см. Нижнее боковое отверстие находится на расстоя- нии 5 см от дна. Каждое отверстие закрыто пробкой. К колонне с помощью резиновых шлангов подсоединяется манометр 3 и со- суд 7. Порядок выполнения работы 1. Наполнить колонну с легкой утрамбовкой испытуемым пес- ком. По мере ее наполнения тщательно закрыть пробками боковые отверстия 2. 2. С помощью резинового шланга, подсоединенного к дну ко- лонны через кран 4, произвести полное насыщение песка водой. Контроль насыщения осуществляется по водяному манометру 3. 16 Насыщение производится медленно и считается оконченным после появления над песком слоя воды толщиной 5–10 мм. 3. Прекратить подачу воды, закрыв входной кран 4 или пережав шланг, и открыть нижний кран 5 для спуска гравитационной сво- бодной воды. 4. По прекращении стока воды взять шпателем до 30–40 г песка из каждого бокового отверстия в фарфоровые чашечки или бюксы и взвесить. 5. Взятые пробы высушить в сушильном шкафу и снова взве- сить. Результаты взвешивания занести в табл. 4.1. Для определения влажности образцов можно применить ускоренный метод. Таблица 4.1 Влагоемкость горной породы по высоте колонны № проб Вес образца с чашкой, г Вес воды, г Влагоемкость пробы, % до высушивания после высушивания 6. Для каждой пробы по формуле вычислить влагоемкость и ре- зультаты занести в табл. 4.1 %,100 2 21    q qq W где W – влагоемкость горной породы, %; q1, q2 – масса породы до и после сушки, г. 7. В табл. 4.1. выделить в верхней части прибора зону постоян- ной влагоемкости, что будет соответствовать величине максималь- ной молекулярной влагоемкости. Зона максимальной влагоемкости в нижней части колонны определит величину капиллярной влаго- емкости. Контрольные вопросы 1. Что называется влагоемкостью горной породы? 2. Что такое максимальная молекулярная и капиллярная влаго- емкости горной породы? 17 3. Описать прибор, с помощью которого определялись макси- мальная молекулярная и капиллярная влагоемкость песков. 4. Методика определения влагоемкости грунтов. 5. В каких единицах выражают влагоемкость горной породы? 6. Какие примерные величины характеризуют максчимальную молекулярную и капиллярную влагоемкости? 7. Какие существуют методы определения гигроскопической и полной влагоемкости горных пород? 8. Каково практическое применение показателей влагоемкости горной породы? 18 Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ И ПОЛНОЙ ВЛАГОЕМКОСТИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ Общие сведения Гигроскопическая влагоемкость обуславливается наличием в атмосфере водяных паров и способностью силового поля поверхно- сти частиц горной породы притягивать и удерживать парообразную влагу. Полная влагоемкость горной породы соответствует объему всех пор и пустот и численно равна пористости породы. Эти виды влагоемкости вычисляют по той же формуле, что и молекулярную и капиллярную %,100 сух сухвл    q qq W где W – влагоемкость породы, %; qвл – вес образца породы во влажном состоянии, г; qсух – вес образца породы в сухом состоянии, г. 5.1. Определение гигроскопической влагоемкости Гигроскопическая влагоемкость определяется путем взвешива- ния естественного сухого и специально высушенного образца при температуре 105 оС, обеспечивающей полное удаление молекул во- ды с поверхности частиц горной породы. Принадлежности: технические весы; нагревательная лампа; об- разец глинистого песка объемом 2–3 см3; чашка; шпатель; щипцы. Порядок выполнения работы 1. Глинистый песок весом примерно 20 г растереть до исчезно- вения комочков и положить в чашку. 19 2. Чашку с образцом горной породы взвесить и поставить под нагревательную лампу и сушить до постоянного веса, периодически взвешивая образец породы с чашкой. 3. Зафиксировать вес после сушки и по формуле вычислить ве- личину гигроскопической влагоемкости исследуемого образца. 5.2. Определение полной влагоемкости песка Нахождение полной влагоемкости сводится к нахождению объе- ма порового пространства в горной породе. Принадлежности: фарфоровый стакан емкостью 100 см3; стек- лянный стакан емкостью 50 см3; образец песка; технические весы; сушильный шкаф; щипцы. Порядок выполнения работы 1. Фарфоровый стакан заполнить испытуемым песком и произ- вести его легкую утрамбовку. 2. Песок в стакане осторожно насытить водой до появления очень тонкого слоя воды на его поверхности и взвесить. 3. Стакан с песком поместить в сушильный шкаф. 4. После высыхания стакан с песком взвесить и по формуле вы- числить полную влагоемкость песка. Контрольные вопросы 1. Чем обуславливается гигроскопическая влагоемкость горной породы? 2. Что такое полная влагоемкость и какая ее связь с пористостью грунта? 3. Методика определения гигроскопической влагоемкости песка. 4. Методика определения полной влагоемкости песка. 5. Написать формулу расчета влагоемкости горных пород. 20 Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДООТДАЧИ ГОРНЫХ ПОРОД Общие сведения Водоотдача – это способность горных пород отдавать под дей- ствием сил гравитации (тяжести) свободную воду при осушении. По Лебедеву, водоотдача равна разности между полной и макси- мальной молекулярной влагоемкостями. Количественно ее выра- жают отношением объема вытекшей воды к объему всей породы в долях единицы или процентах. Наибольшей водоотдачей характе- ризуются горные породы с крупными пустотами и трещинами. Сильно трещиноватые граниты, известняки, песчаники, крупнозер- нистые пески и галечники могут отдавать содержащуюся в них воду почти полностью. Тонкозернистые пески, суглинки отличаются слабой водоотдачей, а такие грунты, как глины, не способны отда- вать воду совсем, особенно в пластическом состоянии. Задание. Определить коэффициент водоотдачи крупного и сред- него песка. Полученные результаты сравнить с литературными, по- мещенными в табл. 6.1. Принадлежности: прибор для определения водоотдачи грунтов; мерный цилиндр. Описание прибора Определение водоотдачи песка производится методом колонн. Одна из стенок колонны выполнена из стекла. Высота колонны 75 см, основание квадратное 15×15 см. На высоту 50 см колонна заполнена грунтом. В нижней части колонны имеется один кран для заполнения ее водой и второй – для ее слива. Порядок выполнения работы 1. Открывают нижний кран и производят полное насыщение грунта водой. Подачу воды прекращают после ее появления сверху грунта. 21 2. Открывают нижний водосливной кран и с помощью мерного цилиндра замеряют объем вытекшей воды после полного прекра- щения ее поступления. 3. Коэффициент водоотдачи вычисляют как отношение объема вытекшей воды к объему грунта W Q  , где Q – объем вытекшей воды, см3; W – объем грунта и колонны, см3. 4. Данные заносят в табл. 6.1. Таблица 6.1 Результаты замеров и расчетов Грунт Объем вытекшей воды, см3 Объем грунта, см3 Коэффициент водоотдачи Коэффициент водоотдачи по литературным данным Песок круп- нозернистый 0,25–0,30 Песок средне- зернистый 0,20–0,25 Контрольные вопросы 1. Что такое водоотдача и коэффициент водоотдачи грунта? 2. Какая связь существует между водоотдачей и максимальной молекулярной и полной влагоемкостью? 3. Как зависит водоотдача от пористости горной породы? 4. Какой применяется метод и какова методика определения во- доотдачи грунтов? 5. Какие численные значения коэффициента водоотдачи прису- щи различным видам грунтов? 6. Каково практическое применение коэффициента водоотдачи? 22 Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПОРА ВОДЫ Общие сведения Фильтрация – это движение грунтовой воды в порах водона- сыщенного грунта, происходящее под действием разности напоров. Так же, как и от водоотдачи, от скорости фильтрации зависит эф- фективность действия осушительных систем. Скорость фильтрации воды в грунте характеризуется коэффици- ентом фильтрации, знание абсолютной величины которого необхо- димо при выборе способа и системы осушения карьеров добычи полезных ископаемых, расчете притока воды в карьер и гидравли- ческих расчетах осушительных дрен и каналов. Задание. Определить абсолютную величину коэффициента фильтрации песка ненарушенной структуры. Полученную величину сравнить с литературными данными и по ней определить вид песка, заложенного в прибор. Принадлежности: прибор для определения коэффициента фильтрации грунта в лабораторных условиях; металлическая ли- нейка; стеклянная колба на 200 мл; секундомер. Описание прибора Для определения коэффициента фильтрации горных пород в ла- бораторных условиях чаще всего используется метод переменного напора Каменского. Прибор состоит из поддона 1 со сливной труб- кой 2, цилиндра с испытуемым грунтом 3, цилиндра для создания гидравлического напора 4, чашечки для сбора профильтровавшейся воды 5 (рис. 7.1). 23 Рис. 7.1. Схема прибора Каменского Порядок выполнения работы 1. Из толщи грунта, коэффициент фильтрации которого необхо- димо определить, с помощью металлического цилиндра с надетым на него режущим кольцом путем осторожного вдавливания отби- рают образец грунта ненарушенной структуры. 2. Образцы вместе с режущим кольцом укладывают в полиэти- леновый мешок и доставляют в лабораторию. 3. В течение часа образцы насыщают водой, поместив их в ван- ночку с водой глубиной 2–3 см. 4. Режущее кольцо вместе с образцом грунта вставляют в прибор и сверху одевают на кольцо металлический цилиндр для создания гидравлического напора путем наполнения его водой. 5. После установления режима фильтрации (равномерное паде- ние капель из водосливной трубки) верхний цилиндр вторично за- полняют до края водой и пускают секундомер. 6. По мере падения уровня воды с помощью металлической ли- нейки замеряют расстояние от верхнего края цилиндра до уровня воды, фиксируя при этом время, в которое производится замер. Ча- стота замеров зависит от скорости падения уровня. Количество за- меров 4–6. Результаты замеров заносят в табл. 7.1. 24 Таблица 7.1 Результаты замеров и расчетов Время от начала опыта, с Понижение уровня воды S, см Гидравлический напор h = h0 – S, см Величины отношения h0/h h holg 7. С изменением напора изменяется скорость фильтрации, а в процессе замеров могут иметь место погрешности. Поэтому среднее значение коэффициента фильтрации определяют графоаналитиче- ским методом, для чего по данным замеров строят график зависи- мости h holg от времени t (рис. 7.2). Рис. 7.2. График зависимости между h holg и t 8. В любом месте на сглаженной прямой графика выбирают точ- ку и определяют значение тангенса ее угла наклона: t h holg tg  . 25 9. Значение среднего коэффициента фильтрации грунта вычис- ляют по формуле  tg3,2ф lk , где kф – среднее значение коэффициента фильтрации, см/с; l – высота образца грунта, см. В зависимости от коэффициента фильтрации по табл. 7.2. опре- деляют вид горной породы. Таблица 7.2 Численные значения коэффициентов фильтрации рыхлых горных пород по литературным данным Горная порода kф, см/с Гравий Песок: крупнозернистый среднезернистый мелкозернистый пылеватый Супесь Суглинок Глина 0,173–0,023 0,059–0,023 0,023–0,0059 0,0059–0,0011 0,0011–0,00059 0,00059–0,00011 0,00011–0,000059 0,0000011 Контрольные вопросы 1. Что называется фильтрацией и под действием каких сил она происходит? 2. Чем характеризуется скорость фильтрации? 3. В каких единицах выражают скорость и коэффициент филь- трации горных пород? 4. Какие существуют методы и приборы определения коэффици- ента фильтрации грунтов в лабораторных условиях? 5. Методика определения коэффициента фильтрации в лаборатор- ных условиях и в чем необходимость построения графика? 6. Каково практическое применение коэффициента фильтрации и как он зависит от механического состава горных пород? 26 Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ПОСТОЯННОГО НАПОРА ВОДЫ Общие сведения Данный метод определения коэффициента фильтрации грунтов применяется в полевых условиях. Для этого обычно отрывают шурфы и подают в них воду в таком количестве, чтобы поддержи- вался постоянный уровень. Метод применим при относительно глу- боком стоянии уровня грунтовых вод. В процессе налива измеряется инфильтрационный расход воды. Цель работы: научиться определять коэффициент фильтрации грунта ненарушенной структуры в полевых условиях. Описание работы и аппаратура: Прибор состоит из двух бач- ков (сосуды Мариотта), штатива и двух колец разного диаметра. Бачки служат для автоматической подачи воды в кольца при опыте. В верхней части бачка имеется отверстие для наполнения его водой. Стекло на стенке бачка имеет шкалу с ценой деления 0,0001 м3. В нижней части бачка установлены водоспускная и воздушная трубки с кранами. Первая служит для подачи воды из бачка в кольцо, а вторая – для подачи воздуха в бачок. Штатив устанавливается на ободе большого кольца при помощи складных ножек. В средней части штатива имеется отвес, который служит для установки прибора в горизонтальное положение. Кольца прибора имеют нижние и верхние круговые риски. Ниж- ние показывают, на какую глубину надо вдавить кольца в грунт при опыте. Верхние – на каком уровне поддерживается вода. На внутренней стороне малого кольца нанесены деления от «0» до «10» см для установки постоянного напора при опыте. 27 Порядок выполнения работы 1. Поверхность грунта, где проводится опыт, очищают, выравни- вают и покрывают слоем мелкого гравия толщиной около 2 см. 2. В грунт концентрично вдавливают оба кольца на глубину, со- ответствующую нижним круговым рискам, нанесенным на кольцах. 3. Во внутреннее кольцо и кольцевой зазор между его стенкой и внешним кольцом наливают воду на 2–3 см выше верхней риски. 4. На верхний ободок большого кольца устанавливают штатив, ножки которого крепят гайками. 5. На штатив устанавливают бачки: один – над внутренним кольцом, другой – над кольцевым зазором. Их устанавливают таким образом, чтобы концы воздушных трубок были расположены по урезу воды, а водовыпускных – на 2–3 см ниже. 6. Опыт проводят при постоянном уровне 10 см (верхняя риска). Заполняют бачки водой при закрытых кранах через верхнее отвер- стие. 7. Вначале открывают водоспускные, затем воздушные трубки. В табл. 8.1 записывают время начала опыта и уровень воды в бачках через определенные промежутки времени по водомерному стеклу. Таблица 8.1 Данные замеров и расчетов Время замера t, с Интервал времени между заме- рами, с Количество воды, вылив- шейся за ин- тервал между замерами, м3 Фильтраци- онный рас- ход Q, м3/сут Пло- щадь филь- трации F, м2 Коэффи- циент фильтра- ции Kф, м/сут 8. Опыты продолжают до получения установившихся расходов (одинаковых в равные промежутки времени). 9. Зная фильтрационные расходы воды Q в единицу времени и площадь фильтрации F, определяют среднюю скорость фильтрации F Q V cp . 28 10. Коэффициент фильтрации определяется из формулы Дарси  фcp KV I. 11. Так как при высоте столба воды 10 см напорный градиент I принимается равным единице, средняя скорость фильтрации чис- ленно равна коэффициенту фильтрации Kф: фcp KV  . Тогда F Q K ф . 12. Построить график зависимости фильтрационного расхода Q (с нарастающим итогом) от времени t. Контрольные вопросы 1. Порядок выполнения работы. 2. Какое назначение сосудов Мариотта в приборе? 3. Какая роль внешнего и внутреннего кольца прибора? 4. По каким расчетным зависимостям вычисляют скорость и ко- эффициент фильтрации грунта? 29 Лабораторная работа № 9 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ДАРСИ Общие сведения Движение грунтовых вод подчиняется закону Дарси, согласно которому скорость этого движения (скорость фильтрации) v и рас- ход воды Q выражаются формулами  фkv I и ,ф IkvQ  где  – площадь поперечного сечения грунта, через который про- исходит фильтрация, равная 100 см2; фk – коэффициент фильтрации, имеющий размерность скоро- сти, см/с; I – гидравлический градиент напора. Следовательно, закон Дарси устанавливает, что потери напора пропорциональны скорости фильтрации в первой степени, так как коэффициент фильтрации для данного грунта – величина постоян- ная. Задания 1. Экспериментально доказать путем построения графика зави- симость скорости фильтрации от градиентов напора: )(Ifv  . 2. Вычислить коэффициенты фильтрации песка среднезернистого. Описание установки Установка представляет собой вертикальную колонну с основа- нием квадратного сечения размером 10×10 см и высотой 75 см. Нижняя часть колонны на высоту 10–20 см заполнена грунтом и 30 имеет сливную трубку для измерения величины фильтрационного расхода Q. Вода поступает в установку в верхней части. Для создания раз- личных величин гидравлического напора и поддержания постоян- ного уровня воды в установке по высоте колонны имеется три пере- ливные трубки. Ход работы 1. Осуществить подачу воды в установку. С поднятием уровня воды до первой переливной трубки вращением крана добиться, что- бы приток воды в колонну был равен расходу и тем самым поддер- живался постоянный гидравлический напор h1. Выдержав 3 минуты (для установления режима фильтрации), замерить объемным спосо- бом фильтрационный расход Q1. Закрыв переливную трубку 1, под- нять уровень воды до уровня переливной трубки 2. Выждав 3 мину- ты, замерить расход Q2 при напоре h2. 2. Данные замеров записать в табл. 9.1 и выполнить соответ- ствующие расчеты по определению скорости и коэффициента фильтрации. 3. Построить график функции )(Ifv  и убедиться, что потери напора пропорциональны скорости фильтрации. Таблица 9.1 Данные замеров и расчетов Наим ено- ва- ние грун- та Гид- рав- личе- ский напо р h, см Вы- сота грун- та в ко- лонне l, см Гради- ент напора l h I  Объем про- филь- тро- вав- шейся воды В, см3 Время филь- трации t, с Расход воды t B Q  , см3/с Ско- рость филь- трации   Q v , см/с Коэффи- циент филь- трации I v k ф , см/с 31 Контрольные вопросы 1. Как формулируется основной закон фильтрации – закон Дарси? 2. Как изменяются скорость и коэффициент фильтрации с увели- чением напора для данного грунта? 3. Чему равна скорость фильтрации при градиенте напора, рав- ном единице? 4. Методика проверки закона Дарси. 32 ЛИТЕРАТУРА 1. Кантор, Е. М. Методическое руководство к лабораторным ра- ботам по курсу «Общая и горно-рудничная гидрогеология» / Е. М. Кантор, Г. Н. Харитоненко. – М.: МГИ, 1973. – 66 с. 2. Целикова, Т. В. Лабораторный практикум по курсу «Химия воды и микробиология» / Т. В. Целикова. – Минск: БПИ, 1961. – 62 с. 3. Халявкин, Ф. Г. Лабораторные работы по курсу «Гидрогеоло- гия» / Ф. Г. Халявкин. – Минск, 1990. – 40 с. 4. Гальперин, А. М. Гидрогеология и инженерная геология / А. М. Гальперин [и др.]. – Минск: Недра, 1989. – 383 с. 33 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 3 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ........................................ 4 Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ ........................................... 8 Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ КИСЛОТНОСТИ ВОДЫ ........................ 12 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И КАПИЛЛЯРНОЙ ВЛАГОЕМКОСТИ ГРУНТОВ ......................... 14 Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ И ПОЛНОЙ ВЛАГОЕМКОСТИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ............................................ 18 Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДООТДАЧИ ГОРНЫХ ПОРОД ...................... 20 Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПОРА ВОДЫ ................ 22 Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ПОСТОЯННОГО НАПОРА ВОДЫ................ 26 Лабораторная работа № 9 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ДАРСИ ............. 29 ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................... 32 34 Учебное издание ГИДРОГЕОЛОГИЯ Лабораторный практикум для студентов очной и заочной форм обучения специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» (по направлениям) Составители: ХАЛЯВКИН Фёдор Григорьевич ОНИКА Сергей Георгиевич Технический редактор Д. А. Исаев Подписано в печать 11.06.2013. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,98. Уч.-изд. л. 1,54. Тираж 100. Заказ 290. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.