Инженерная геология как предмет. Классификация геологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1. Виды воды в горных породах

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная, вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса, медного купороса. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300-400 С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90-120 С. Этот вид воды подразделяют на гигроскопическую и пленочную.

Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами.

Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений.

Свободная вода - наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления.

Вода в твердом состоянии находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда.

Вода в парообразном состоянии заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах.

Задание 2. Физические свойства подземных вод

При изучении подземных грунтовых вод для различных целей определяют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства, которые характеризуют так называемые органолептические свойства, т. е. свойства, определяемые при помощи органов чувств. Они обычно прозрачны, бесцветны, не имеют запаха. Вкус зависит от вида и содержания растворенных минеральных соединений и газов. Органолептические свойства могут резко ухудшаться при попадании естественным или искусственным путем различных примесей (минеральных взвешенных частиц, органических веществ, некоторых химических элементов).

Температура подземной воды колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносного слоя, особенностей геологического строения, климатических условий и т. д. Различают воды холодные (температура от 0 до 20 °С), теплые, или субтермальные (20-37 °С), термальные (37-100 °С), перегретые (свыше 100 °С). Очень холодные циркулируют в зоне многолетней мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые характерны для районов молодой вулканической деятельности (Камчатка, Исландия и др.). На участках действующих водозаборов в основном распространены холодные с температурой от 5 до 20 °С.

С увеличением глубины залегания температура по закону геотермической ступени возрастает, достигая на глубине нескольких километров 100 °С и более.

Согласно ГОСТ, к физическим свойствам подземных вод относятся также плотность, вязкость, электропроводность, радиоактивность и др.

Плотность воды - масса воды, находящаяся в единице ее объема. Максимальна при температуре 4 °С. При повышении температуры до 250 °С плотность воды уменьшается до 0,799 г/см³, а при увеличении количества растворенных в ней солей повышается до 1,400 г/см³. За счет пониженной плотности возможно конвективное, восходящее движение перегретых подземных вод.

Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость подземных вод уменьшается. Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Ом * м. Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газообразной эманации радия - радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации - сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоактивных элементов - могут быть вредными для человека.

Подземная вода представляет собой сложный водный раствор, содержащий растворенные соли, газы (С0₂, Н₂8, СН₄ и др.), органические вещества и коллоиды. Количественные соотношения между отдельными компонентами обусловливают физические свойства и химический состав подземных вод.

Задание 3. Виды движения подземных вод

Под влиянием капиллярных сил, силы тяжести и градиентов гидростатического давления подземные воды приходят в движение. Движение подземных вод в зонных аэрации и насыщения существенно различается.

В зоне аэрации происходит проникновение атмосферных осадков и поверхностных вод в грунт, называемое просачиванием. Различают свободное просачивание и нормальную инфильтрацию. В первом случае движение воды в грунте вертикально вниз происходит под действием силы тяжести и капиллярных сил в виде изолированных струек по капиллярным порам и отдельным канальцам при этом пористое пространство грунта остается не насыщенным водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления на движение вода. Во втором случае движение воды происходит сплошным потоком под действием силы тяжести, градиентов гидростатического давления и капиллярных сил; поры заполнены водой полностью.

В зоне насыщения под действием силы тяжести и гидростатического давления свободная вода по порам и трещинам грунта перемещается в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора. Это движение называется фильтрацией. Движение свободной воды как при нормальной инфильтрации в зоне аэрации, так и при фильтрации в зоне насыщения имеет в мелкопористых грунтах ламинарный режим.

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунтов. Он зависит от количества и размера пор и от свойств фильтрующей жидкости. Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы Дарси, численно равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном 1. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту

J: V=KJ,

где J=h (разница высот) /е(пройденное расстояние). Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах.

Гравитационная вода - подземная вода, способная передвигаться по порам, трещинам и другим пустотам горных пород под влиянием силы тяжести.

Задание 4. Факторы обводненности горных объектов

Техногенные факторы обводненности горных пород. Обводнение шахт в процессе ведения горных работ усложняет вскрытие и эксплуатацию полезного ископаемого и создают неблагоприятную обстановку для работы механизмов и условий труда шахтеров.

К числу искусственных факторов обводненности горных объектов относятся: а) вскрытие горными выработками незатампонированных скважин или старых заброшенных выработок. Обычно после окончания буровых работ, из скважин извлекаются обсадные трубы и производится их тампонаж вязким глинистым раствором или цементом.

В старых заброшенных выработках может скапливаться большое количество воды.

Как правило, такие воды кислые и агрессивны по отношению к оборудованию.

Прорывы воды в действующие горные выработки весьма опасны и носят катастрофический характер. б) способ и системы разработки. При проведении горных работ с обрушением кровли на поверхности образуются локальные понижения в рельефе (воронки, трещины), которые способствуют скоплению застойных вод и проникновению их в более глубокие горизонты и непосредственно в горные выработки. в) не рекомендуется отводить шахтные воды по поверхности шахтного поля канавами и по балкам, производить орошение сельскохозяйственных угодий, строить плотины, если породы водопроницаемы.

Задание 5. Инженерная геология как предмет. Научные направления инженерной геологии. Задачи инженерной геологии при строительстве и эксплуатации горных предприятий

Инженерная геология - наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью; один из разделов геологических наук. Основные задачи инженерной геологии: исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий, прогнозирование их изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды. Для решения задач инженерной геологии используют натурные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, моделирование, аналитические расчёты, режимные стационарные наблюдения и другие общегеологические и специальные методы.

Инженерная геология, как и любая другая наука, имеет свой предмет, свои задачи и методы исследования. Она разрабатывает широкий круг научных геологических проблем и решает практические задачи, возникающие при проектировании и строительстве всевозможных сооружений (гражданских и промышленных зданий, городов, дорог, мостов, гидроузлов, тепловых и атомных электростанции, туннелей и метрополитенов, аэродромов, портов, шахт, карьеров, скважин и др.), при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, орошение, борьба с оползнями, селевыми и другими геологическими явлениями), а также при выполнении горных работ на месторождениях полезных ископаемых. Инженерная оценка территорий, выбранных для строительства или другого хозяйственного использования, определяется в первую очередь их геологическим строением - геологическими условиями в широком смысле этого слова. Геологические условия в данном случае принято называть инженерно-геологическими, потому что их изучают и оценивают в инженерном аспекте, а прогноз их изменений составляют в связи со строительством сооружений и выполнением инженерных работ. Эффективно решать такие задачи можно только на основе познания закономерностей формирования и изменений геологических условии территории.

В инженерной практике часто приходится встречаться с геологическими условиями, неблагоприятными для строительства сооружений и выполнения инженерных работ, например со слабыми, непрочными или сильно обводненными горными породами, с развитием тех или иных геологических явлений и т. д. Инженерная геология занимается изучением и оценкой этих условий, выбором для строительства лучших участков, дает рекомендации по обеспечению устойчивости сооружений н нормальных условий их эксплуатации.

В связи с тем что возводимые сооружения и различные инженерные работы так или иначе сами влияют на природные геологические условия, инженерная геология занимается изучением и прогнозом и тех геологических явлений, которые могут возникнуть под их воздействием (просадки, провалы, оползни др.).

Инженерная геология также определяет те меры, которые необходимо предпринять для обеспечения устойчивости и долговечности сооружении и нормальных условий производства работ. В связи с перечисленным возникла необходимость в постановке и решении проблем рационального использования геологической среды и ее охраны.

Инженерная геология включает грунтоведение, инженерную геодинамику, инженерную петрологию и региональную инженерную геологию. Грунтоведение исследует состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Инженерная геодинамика изучает механизм, геологические причины и закономерности развития в геологической среде природных и инженерных геологических процессов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.

Региональная инженерная геология исследует строение и свойства геологической среды различных структурных зон земной коры, закономерности формирования их инженерно-геологических условий и пространственно-временного изменения в связи с инженерной деятельностью.

В инженерной петрологии исследуются свойства горных пород, определяющие их поведение в сфере воздействия инженерных работ и сооружений.

В теоретическом плане главной проблемой является изучение природы свойств горных пород, знание которой составляет научную базу для их прогнозирования и управления этими свойствами.

Инженерная геология изучает объекты, расположенные как в пределах суши, так и в пределах акваторий, находящиеся на различной глубине от поверхности. Большая часть объектов находится в приповерхностной зоне геологической среды, для которой характерна высокая динамичность во времени

Задание 6. Классификация геологических процессов

Все геологические процессы делятся на экзогенные (внешние) в эндогенные (внутренние).

Экзогенные геологические процессы происходят в результате воздействия внешних оболочек земли (гидросферы и атмосферы) а земную кору и охватывают ее поверхностные части.

Они обнаруживают связь с внешними, в частности, климатическими условиями и обычно подчиняются климатической зональности.

Задание 7. Геологическое строение месторождений и состав руд

вода геологический горный порода

Группировка месторождений по сложности геологического строения для целей разведки

По размерам и форме рудных тел, изменчивости их мощности, внутреннего строения и особенностям распределения никеля месторождения никелевых руд соответствуют 1-, 2- и 3-й группам, а месторождения кобальтовых руд - 4-й группе сложности, установленных «Классификацией запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых», утвержденной приказом Министра природных ресурсов Российской Федерации от 7 марта 1997г. № 40.

К 1-й группе относятся сульфидные медно-никелевые месторождения (участки) простого геологического строения с рудными телами, представленными крупными пластообразными залежами вкрапленных руд с выдержанной мощностью и относительно равномерным распределением никеля (залежи вкрапленных руд месторождений Талнах-Октябрьского района и Норильск-1).

Ко 2-й группе относятся:

- сульфидные медно-никелевые месторождения (участки) сложного геологического строения с рудными телами, представленными крупными пластообразными и плитообразными залежами сложного строения, невыдержанной мощности, с раздувами, пережимами и ответвлениями или с неравномерным распределением никеля (залежи богатых руд Октябрьского и Талнахского месторождений, месторождения Ждановское, Заполярное, Котсельваара-Каммикиви, Семилетка). Длина рудных тел составляет от первых сотен метров до нескольких километров. По ширине аналогичные размеры имеют субгоризонтальные тела. Длина отдельных наклонных и крутопадающих тел по падению может достигать 1,5 км и более. Мощность тел изменяется в пределах от первых метров до 100 м;

- силикатные никелевые месторождения с крупными, средними и мелкими залежами пластообразной, плащеобразной, линзообразной и клиновидной формы, невыдержанной мощности, с раздувами, пережимами, карманообразными углублениями, со сложным характером выклинивания и неравномерным распределением никеля (Буруктальское, Черемшанское, Серовское, Сахаринское). Размеры рудных тел, залегающих практически горизонтально или слабонаклонно, варьируют от сотен метров до первых километров при мощности от 1 до 30-50 м. К 3-й группе относятся: - медно-никелевые месторождения (участки) очень сложного геологического строения с рудными телами, представленными средними и мелкими залежами очень сложной формы (линзовидными, жилообразными), весьма невыдержанными по мощности, с многочисленными ответвлениями, раздувами, пережимами, со сложным характером выклинивания и неравномерным распределением никеля. Длина рудных тел по простиранию и падению десятки - первые сотни метров, мощность от 1-2 м до первых десятков метров (Спутник, Шануч, участки «медистых» руд Октябрьского и Талнахского месторождений);

- месторождения силикатных никелевых руд, связанные с корой выветривания смешанного типа со средними и мелкими узколинзообразными и клиновидными залежами весьма невыдержанной мощности. Размеры рудных тел по простиранию и падению составляют первые сотни метров при мощности от 1 до 10-20 м (Кунгурское, Покровское, Синарское месторождения).

К 4-й группе относятся арсенидные и сульфоарсенидные никель-кобальтовые и собственно кобальтовые месторождения весьма сложного геологического строения с рудными телами, представленными мелкими по размерам сложными трещинными жилами весьма невыдержанной мощности, с многочисленными ответвлениями, раздувами и пережимами, со сложным характером выклинивания и весьма неравномерным распределением кобальта. Протяженность рудных тел колеблется от 100 до 400 м по простиранию и от 20 до 600 м по падению при мощности от 0,5 м до первых метров (Ховуаксы).

Принадлежность месторождения (участка) к той или иной группе устанавливается по степени сложности геологического строения основных рудных тел, заключающих не менее 70 % общих запасов месторождения.

Задание 8. Напряженное состояние горных пород , его изменение при проходке горных выработок

Естественное напряженное состояние горных пород -- совокупность напряжённых состояний, формирующихся в массивах горных пород (в недрах) вследствие воздействия естественных факторов. Основной и постоянно действующей причиной формирования естественного напряженного состояния является гравитация; дополнительные факторы: вертикальные и горизонтальные движения земной коры, процессы денудационного среза и переотложения горных пород, которые имеют разную распространённость, длительность и силу действия (изменяясь постоянно, непрерывно или скачкообразно). В ряде участков земной коры при активно действующих дополнительных факторах горизонтальные или наклонные составляющие тензоров напряжений могут значительно превышать вертикальные составляющие, определяемые из расчётов по гравитации.

Естественное напряженное состояние зависит от геометрии, и структурных характеристик массива, его деформированности, прочности горных пород, их вязкости, обводнённости и др. Естественное напряженное состояние и его изменения приводят к деформациям, смещениям и разрушениям различных элементов породных массивов в глубине и на поверхности, к деформациям инженерных сооружений, крепей горных выработок, вызывают землетрясения, стреляния горных пород и горные удары. Энергия естественного напряженного состояния способна производить и полезную работу по улучшению дробления пород при добыче твёрдых полезных ископаемых, облегчению бурения при проходке скважин. Познание закономерностей естественного напряженного состояния представляет одну из фундаментальных задач наук о Земле, имеющих важнейшее практическое значение. С учётом естественного напряженного состояния выбирают расположение и способ проведения горных выработок для уменьшения вредных проявлений горного давления, проводят местное регулирование естественного напряженного состояния с помощью разгрузочных щелей (экранов) и т.п.

Список литературы

1.Плотников Н. И. Эксплуатационная разведка подземных вод. М., «Недра». 1973, с. 7 -- 15.

2. Биндерман Н.Н., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. - М.:Недра, 1970. - 218 с.

3. Каменский Г. Н. Поиски и разведка подземных вод. М. -- Л., Госгеолизд Балашов Л. С. 4.Роль смешения подземных вод в формировании их химического состава. М., Изд-во АН СССР, 1961. 14 с.ат, 1947, 314 с.

5.https://ru.wikipedia.org/wiki

Размещено на Allbest.ru