PL195518B1 - Sposób badania odsączalności skał zwięzłych i luźnych - Google Patents

Abstract

Sposób badania odsączalności skał zwięzłych i luźnych

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób badania odsączalności skał zwięzłych i luźnych, na potrzeby hydrogeologii, a szczególnie na potrzeby obliczeń zasobowych i prognoz zatapiania kopalń.

Znane są sposoby oznaczania odsączalności skał, nakierowane generalnie na badanie odsączania z nich cieczy poprzez usunięcie jej z próbek skalnych. Próbki bada się najczęściej przy zastosowaniu wody o różnej mineralizacji. Do tego celu stosuje się różne, sztuczne i na ogół nie związane z siłą grawitacji czynniki działające na próbkę skalną, na przykład: siłę odśrodkową (metoda odwirowania), substancje chemiczne - głównie kwas siarkowy, ciśnienie gazu, temperaturę (metoda pomiaru prędkości parowania), siły kapilarne innego ośrodka skalnego (metoda drenażu kapilarnego) i inne czynniki, rzadziej naturalny czynnik jakim jest siła grawitacji (metoda wysokich kolumn).

Spośród różnych sposobów, w laboratoriach hydrogeologicznych stosuje się standardowo przede wszystkim metodę oznaczania odsączalności poprzez odwirowanie próbki. Inne częściej stosowane sposoby to: metoda „drenażu kapilarnego”, w której do odsączenia wody z badanego porowatego ośrodka skalnego używa się innego ośrodka porowatego, na przykład sproszkowanej kredy piszącej o wyższym, co do bezwzględnej wartości ciśnieniu kapilarnym, zdolnym do pokonania oporów kapilarnych w próbce skalnej, z której odsączana jest woda. Dla odsączenia próbek skał luźnych stosowana jest powszechnie znana metoda „wysokich kolumn”, jako jedyna wykorzystująca do odprowadzenia wody z próbki wyłącznie siłę grawitacji.

Pierwszy z tych sposobów polega na przygotowaniu próbek skał zwięzłych w formie walców, które umieszcza się w aparacie próżniowym w celu usunięcia z próbki powietrza i nasycania jej cieczą. Po nasyceniu skał cieczą, na ogół wodą, czyli po osiągnięciu przez badane próbki skał stanu saturacji, umieszcza się je w wirówce, gdzie poddawane są procesowi odwirowania w określonym czasie, najczęściej w okresie około 20 minut, przy zastosowaniu przyspieszenia powodującego powstanie w porach próbki zakładanego ciśnienia porowego. Próbki skał luźnych umieszcza się w cylindrach w kształcie walca, zabezpieczonych od dołu siatką o drobnych oczkach, a następnie w komorach wirówki. Podstawę obliczeń współczynnika odsączalności stanowi objętość wydzielonej z próbki wody lub różnica masy próbki w stanie pełnego nasycenia i po odwirowaniu, bądź różnica pomiędzy porowatością otwartą a wilgotnością próbki po jej zbadaniu - odwirowaniu.

W drugim sposobie znanym z polskiego opisu patentowego nr 74011, nasyconą próbkę skały luźnej lub zwięzłej foremnej lub nieforemnej, umieszcza się w zamkniętej komorze na kilkucentymetrowej warstwie drobnoporowatego materiału higroskopijnego, na przykład kredy piszącej i poddaje drenażowi kapilarnemu w okresie od kilku godzin do kilku dni. Współczynnik odsączalności oblicza się według tej metody na podstawie różnicy porowatości otwartej badanej próbki skały i jej wilgotności zachowanej po drenażu kapilarnym prowadzonym na ogół w czasie od 24 do 48 godzin.

Sposób oznaczania odsączalności skał luźnych określany jako metoda „wysokich kolumn” polega na odsączaniu wody wolnej pod wpływem siły ciężkości z nasyconej próbki skały luźnej umieszczonej w cylindrze o wysokości od kilkunastu centymetrów do ponad 2 metrów, zaopatrzonym od dołu w siatkę o drobnych oczkach, przez którą możliwe jest swobodne grawitacyjne ściekanie wody w okresie od kilku godzin do ponad 2 lat, co jest uwarunkowane wysokością kolumny i uziarnieniem badanego materiału skalnego. Współczynnik odsączalności oblicza się w oparciu o objętość wody uzyskanej w wyniku procesu grawitacyjnego odsączania próbki.

Górotwór naruszony eksploatacją, szczególnie w starych rejonach górniczych, ulega długotrwałemu i intensywnemu drenażowi, którego stopień określa się często jako całkowity, co powinno odnosić się do wody wolnej. Jeśli skały zostały odwodnione z wody wolnej całkowicie, oznacza to, że osiągnęły one stan zdrenowania równy co do wartości współczynnikowi odsączalności, lecz nie jest to równoznaczne z faktem, iż nie zawierają one wody kapilarnej i związanej. Odsączalność skały wyrażona wartością współczynnika odsączalności powinna być wartością stałą, wyrażającą własność skały określającą maksymalną możliwą dla danej próbki zawartość wody wolnej, która określa potencjalny, całkowity i możliwy do uzyskania stan odwodnienia skały z wody wolnej, która może ściekać pod wpływem sił grawitacji. Wartością zmienną wskazującą na stopień odwodnienia skały w momencie badania, jest wskaźnik odsączenia Jo. Za pomocą wskaźnika odsączenia nie ma jednak możliwości stwierdzenia na jakim etapie odwadniania jest skała, czy znajduje się ona w stanie całkowitego odwodnienia, co oznacza, że wskaźnik odsączenia jest równy co do wartości współczynnikowi odsączalności, czy może skała nie jest jeszcze w pełni odwodniona, lub jest ona nadmiernie odwodniona, to znaczy odwodniona nie tylko z wody wolnej lecz także z nie znanej ilości wody kapilarnej. Wskaźnik

PL 195 518 B1 odsączenia może więc służyć tylko dla oceny aktualnego w okresie odwadniania lub zatapiania kopalni stanu nawodnienia skał górotworu, charakteryzując stany przejściowe skały „in situ”, od stanu pełnego nasycenia, czyli saturacji, do stanu pełnego odsączenia, czyli defiltracji. Wartość maksymalna wskaźnika odsączenia jest równa wartości współczynnika odsączalności, lecz za pomocą tego wskaźnika nie można oznaczyć wspomnianego współczynnika. Można natomiast, za pomocą współczynnika odsączalności wyznaczyć maksymalną wartość wskaźnika odsączenia dla wody wolnej. Uogólniając, wskaźnik odsączenia stanowi różnicę pomiędzy stanem nasycenia skały wodą, jej porowatością otwartą a wilgotnością badanej skały.

Biorąc powyższe pod uwagę nie jest możliwe do oznaczenia w skałach objętości przestrzeni zdolnych do gromadzenia cieczy wolnej, głównie wody wolnej, zarówno za pomocą wskaźnika odsączenia, jak również współczynnika odsączalności oznaczanego przy zastosowaniu większości spośród znanych sposobów, szczególnie w odniesieniu do skał zwięzłych. Podstawową barierę stanowi brak ścisłego oznaczenia objętości cieczy, co do której byłaby pewność, że jest to ciecz wolna, podlegająca wyłącznie siłom ciążenia i nie zawierająca innych rodzajów tej samej cieczy, na przykład dla wody: wody związanej lub wody kapilarnej, a zatem, że oznaczona objętość cieczy charakteryzuje odsączalność skały dla tej cieczy i zasoby cieczy wolnej, np. wody wolnej. Jednocześnie nie majak dotąd możliwości określania znanymi sposobami prawdopodobnej wartości wilgotności skał górotworu w stanie odwodnienia go z wody wolnej, czyli wilgotności naturalnej skał w warunkach stałego zasilania górotworu w wodę. Zasilanie powoduje, że skały nie mogą zostać odwodnione do wartości określanych wilgotnością jedynie wód związanych, bowiem są one nasycone wodami kapilarnymi a przy niepełnym drenażu również częścią wody wolnej. Podstawową wadą metod: odwirowania, drenażu kapilarnego, metody pomiaru prędkości parowania wody z suszonej próbki skalnej, ciśnień kapilarnych, suszenia próbki w obecności kwasu siarkowego oraz wskaźnika odsączenia jest brak możliwości oddzielenia wody wolnej od wody kapilarnej w odsączach laboratoryjnych uzyskiwanych w trakcie badania próbek skalnych. Wadę tych metod, z wyjątkiem metody drenażu kapilarnego, stanowi konieczność stosowania na ogół kosztownych i skomplikowanych urządzeń laboratoryjnych. W przypadku metody pomiaru prędkości parowania wody z próbki, jej wadą jest ponadto potrzeba stosowania bardzo skomplikowanych metod interpretacji wyników. Spośród ułomności metod: odwirowania i drenażu kapilarnego niebagatelny jest sposób prowadzenia oznaczenia względem uwarstwienia skał i czasu trwania oznaczenia. Wyniki uzyskiwane przy użyciu obu wymienionych metod w istotny sposób zależą od czasu badania a czas odwadniania próbek w kierunku zgodnym z kierunkiem uwarstwienia czy laminacji skał może w istotny sposób różnić się od czasu ich odwadniania w kierunku prostopadłym do laminacji. W badaniach utworów luźnych metodą wysokich kolumn, niedogodnością oznaczenia, pomimo wykorzystania w nim siły grawitacji, jest na ogół bardzo długi czas badania i uzyskiwanie w odsączach części słabo związanych wód kapilarnych.

W sposobie badania odsączalności skał zwięzłych i luźnych, w zamkniętej komorze, naczyniu czy klimatyzowanym pomieszczeniu ograniczającym proces parowania, według wynalazku, próbkę skały umieszcza się na zamykającym ją od dołu materiale filtracyjnym, charakteryzującym się włoskowatością, nasiąkniętym cieczą i pozostającym z nią w kontakcie dla zapewnienia swobodnego podsiąkania kapilarnego próbki oraz prowadzi bieżące obserwacje procesu jej nasycania się i dokonuje okresowych pomiarów przyrostu jej masy w czasie dla oceny wartości masy odpowiadającej stanowi nasycenia kapilarnego próbki osiąganego przy wykorzystaniu zjawiska kapilarności czynnej i dla eliminacji przyrostów masy związanych z występującym w porach skały zjawiskiem kondensacji kapilarnej. Po nasyceniu kapilarnym można określać różnicę pomiędzy porowatością otwartą i wilgotnością próbki skalnej. Przed umieszczeniem w zamkniętej komorze, naczyniu czy klimatyzowanym pomieszczeniu próbkę skały korzystnie jest wysuszyć w temperaturze 105 - 110°C lub doprowadzić ją do stanu powietrzno-suchego. Korzystne jest takie ułożenie próbki skały, aby jej laminacja-foliacja była prostopadła do nasyconego cieczą materiału filtracyjnego oraz stosowanie w badaniach przezroczystych materiałów dla umożliwienia makroskopowych obserwacji przebiegu procesu.

Podstawową zaletą sposobu według wynalazku jest jego prostota i możliwość wykonywania badań seryjnych w stosunkowo krótkim czasie, jak również nie korzystanie ze sztucznych sposobów usuwania cieczy z próbki, które już przez fakt ich zastosowania wprowadzają błąd do oznaczeń. Od innych sposobów odróżnia go wykorzystanie naturalnych procesów przeciwnych do procesu odsączania związanych z naturalnym nasycaniem próbki cieczą, przy wykorzystaniu zjawiska kapilarności czynnej. Zaletą sposobu będącego przedmiotem wynalazku jest ponadto fakt wykorzystania naturalnych cech badanej próbki - dostosowanie czasu jej badania do jej indywidualnych własności i wyeli4

PL 195 518B1 minowanie czynników zewnętrznych wpływających na wynik badania. Wykorzystanie naturalnych sił kapilarnych powoduje, że możliwe jest oznaczenie praktycznie każdego rodzaju cieczy, na przykład wody; wody związanej oznaczanej znanymi metodami oraz wody wolnej, a zatem również wody kapilarnej. Niewątpliwą zaletą sposobu nasycania kapilarnego próbki jest niezależność uzyskiwanych z jego pomocą wyników od sposobu prowadzenia oznaczeń względem laminacji-foliacji skały oraz od sposobu i miejsca pobrania próbki, co jest istotne, na przykład dla wartości wskaźnika odsączenia. Wynik uzyskany sposobem będącym przedmiotem wynalazku jest wartością stałą odzwierciedlającą własność danej próbki skalnej.

Wynalazek pozwala na osiągnięcie stosunkowo wysokiej dokładności oznaczeń i nadaje się do seryjnych badań laboratoryjnych współczynnika odsączalności skał, może być stosowany do obliczeń pojemności wodnej górotworu na potrzeby likwidacji kopalń, obliczeń zasobów wód podziemnych, prognoz dopływów wód do kopalń oraz zasięgu drenażu wyrobisk górniczych, a także ujęć wód podziemnych. Sposób ten przy odpowiednim doborze cieczy, za pomocą której prowadzone jest nasycanie próbki może być szeroko stosowany na potrzeby obliczeń i oszacowań zasobowych złóż płynnych surowców energetycznych oraz pojemności przestrzeni w skałach, które mogą być ewentualnymi kolektorami ciekłych odpadów lub surowców deponowanych lub magazynowanych w górotworze.

Przedmiot wynalazku jest dokładniej wyjaśniony w przykładzie zastosowania poniżej, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój poprzeczny układu dla nasycania próbki skały zwięzłej, fig. 2-ten przekrój układu dla nasycania skały luźnej, a fig. 3 - wykres kontrolny przebiegu procesu nasycania próbki.

Sposób badania odsączalności skał polega na umieszczeniu próbki 1 skały zwięzłej (fig. 1) na materiale filtracyjnym 2 ułożonym na podstawce 3, zdolnym do nasączania się cieczą 5 pod wpływem działania sił włoskowatych, odznaczającym się znaczną wartością wzniosu kapilarnego i pozostającym w kontakcie z cieczą umieszczoną w naczyniu 4 na przykład w kuwecie. Następnie wymieniony zestaw laboratoryjny umieszcza się w pomieszczeniu lub komorze klimatyzacyjnej, lub przykrywa się próbkę 1 naczyniem 6 wspartym na materiale filtracyjnym 2 ułożonym na podstawce 3. Próbkę 1korzystnie jest ułożyć tak aby możliwie najszybciej ją nasycić cieczą użytą w oznaczeniach, poprzez podsiąkanie kapilarne o kierunku 7, w przybliżeniu przeciwnym do działania sił grawitacji. Próbkę 8 skały luźnej (fig. 2) przed ulokowaniem w komorze lub pod naczyniem 6 umieszcza się w specjalnym, najlepiej przezroczystym naczyniu 9, o znanej masie, zaopatrzonym od dołu w siatkę 10 o drobnych oczkach. Prowadząc makroskopowe obserwacje procesu nasycania próbki 1 cieczą kontroluje się przyrost masy próbki 1 poprzez jej okresowe ważenie i sporządzenie wykresu kontrolnego (fig. 3). Na wykresie w układzie masa - czas nanosi się kolejne wyniki pomiarów masy jako punkty 11 w celu wykreślenia krzywej 12 i ustalenia punktu 13przegięcia się krzywej 12 oraz dla ustalenia masy nasycenia kapilarnego odczytywanej z osi masy. Dla kontroli procesu korzystnie jest nanieść na wykres wartości masy próbki w stanie pełnego nasycenia cieczą w postaci linii 14.

Proces nasycania próbek 1może odbywać się w temperaturze pokojowej i trwa w zależności od uziarnienia skały oraz składu i zawartości spoiwa, jak również udziału por o różnych wielkościach od kilkudziesięciu minut do kilkunastu dni, a nawet do kilku tygodni. Współczynnik odsączalności oblicza się zgodnie z przytoczonym poniżej przykładem, w którym cieczą nasycającą jest woda słabo zmineralizowana, lub jako różnicę pomiędzy wartością porowatości otwartej a wilgotnością nasycenia kapilarnego, które oznacza się i oblicza w znany sposób. W przedstawionym przykładzie krzywa nasycania kapilarnego (fig. 3) odwzorowuje przebieg nasycania zwięzłego gruboziarnistego piaskowca kwarcowego o spoiwie żelazisto-krzemionkowym z nielicznymi wtrąceniami węgla (arenit kwarcowy), oporowatości otwartej no = 14,27% oraz o masie w stanie suchym (po wysuszeniu w temperaturze 105 - 1 10°C) równej ms = 32,49 g. Próbkę tę poddano nasycaniu kapilarnemu w okresie 48 godzin, dokonując okresowych pomiarów przyrostu masy. Kolejne wartości masy nanoszono na wykres, z którego odczytano masę odpowiadającą punktowi przegięcia 13i stanowi nasycenia kapilarnego mk = 33,68 g. Obszar 15 na wykresie kontrolnym (fig. 3) odpowiada różnicy masy próbki 1w punkcie przegięcia mk i masy próbki suchej ms = 32,49 g w punkcie początkowym iwynosi ona mkz = mk -ms = 33,68 g 32,49 g = 1,19 g, co odpowiada łącznej masie wody związanej i kapilarnej zawartej w badanej próbce skalnej. Określona podczas oznaczania porowatości otwartej masa próbki 1o pełnym nasyceniu cieczą wynosi mp = 34,41 g. Różnica pomiędzy tą masą a masą próbki 1w stanie nasycenia kapilarnego mk odpowiada masie wody wolnej 16 (szare pole na fig.3) zawartej w próbce i wynosi: mH2O = mp mk = 34,41 g - 33,68 g = 0,73 g, czyli że masa wody wolnej mH2O = 0,73 g. Dla wody o gęstości bliskiej ρ=1 g/cm³ objętość wody w badanej próbce, która jest ilorazem masy i gęstości wynosi VH2O =

PL 195 518 B1 ₃

0,73 cm . Współczynnik odsączalności próbki μ, oblicza się jako iloraz objętości wody wolnej w niej zawartej VH2O i objętości próbki łącznie z porami, która wynosi Vs = 12,692 cm³. Zatem obliczony dla przykładowej próbki współczynnik odsączalności wynosi μ= 0,73 cm³ : 12,692 cm³ a więc μ= 0,0575.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób badania odsączalności skal zwięzłych i luźnych, w zamkniętej komorze, naczyniu czy klimatyzowanym pomieszczeniu ograniczającym proces parowania, znamienny tym, że próbkę skały umieszcza się na zamykającym ją od dołu materiale filtracyjnym, charakteryzującym się włoskowatością, nasiąkniętymcieczą i pozostającym z nią w kontakcie dla zapewnienia swobodnego podsiąkania kapilarnego próbki oraz prowadzi bieżące obserwacje procesu jej nasycania się i dokonuje okresowych pomiarów przyrostu jej masy w czasie dla oceny wartości masy odpowiadającej stanowi nasycenia kapilarnego próbki osiąganego przy wykorzystaniu zjawiska kapilarności czynnej i dla eliminacji przyrostów masy związanych z występującym w porach skały zjawiskiem kondensacji kapilarnej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po nasyceniu kapilarnym określa się różnicę pomiędzy porowatością otwartą i wilgotnością próbki skały.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed umieszczeniem w zamkniętej komorze, naczyniu czy klimatyzowanym pomieszczeniu próbkę skały suszy się w temperaturze 105-110°C lub doprowadzają do stanu powietrzno-suchego.
4. 4. Sposób według zastrz. 1albo 3, znamienny tym, że próbkę skały układa się tak aby jej laminacja-foliacja była prostopadła do nasyconego cieczą materiału filtracyjnego oraz stosuje w badaniach materiały przezroczyste dla umożliwienia makroskopowych obserwacji przebiegu procesu.