Фильтрация (подземных вод)

ФИЛЬТРАЦИЯ подземных вод (а. groundwater seepage; н. Grundwasserversicke; ф. filtration d'eau souter-raene; и. filtracion de agua suterrenea) — движение подземных вод в пористых или трещиноватых горных породах под действием силы тяжести. Подземные воды, проникающие в мелкопористые горные породы путём фильтрации, называется фильтрационными водами. Скорость фильтрации, определяемая объёмным расходом жидкости через единицу площади поперечного сечения пласта, пропорциональна градиенту давления, проницаемости горных пород и обратно пропорциональна вязкости фильтрующейся через горные породы жидкости. Скорость фильтрации всегда меньше истинной скорости движения жидкости. В зависимости от скорости движения фильтрация может быть ламинарной и турбулентной. Ламинарная фильтрация (преимущественно в мелкозернистых породах) подчиняется закону Дарси:

V=k•i2, где

V — скорость фильтрации;

i — гидравлический градиент;

k — коэффициент фильтрации.

Линейный закон фильтрации нарушается при критическом значении скорости фильтрации (число Рейнольдса достигает критического значения). Турбулентная фильтрация (преимущественно в трещиноватых, крупнозернистых и обломочных породах) подчиняется квадратичному закону сопротивления: V=k•i2. В природных условиях и горной практике турбулентный режим фильтрации встречается крайне редко.

Фильтрация имеет большое значение при производстве горных работ. Например, с увеличением скорости фильтрации связаны вынос материала из карстовых полостей и интенсификация развития карстовых процессов в растворимых горных породах, потери холода при сооружении лёдопородных завес или тампонажного раствора при барраже. При эксплуатации водопонижающих и водозаборных скважин увеличение градиентов фильтрационного потока вызывает вымывание и вынос в скважину песчано-глинистых частиц из зафильтровой зоны, засорение скважин илистым материалом и снижение их дебита; иногда в прифильтровой зоне наблюдается образование каверн и повышение фильтрационных свойств горных пород.

При производстве вскрышных работ на карьерах в толще водоносных песчаных пород (например, плавучими земснарядами) и при резком снижении уровня воды в котлованах происходит увеличение фильтрации, вызывающее оплывание пород, развитие суффозионных процессов в массиве песчаных пород, с которыми связано оседание всей вышележащей толщи и образование на поверхности замкнутых понижений, больших полостей на откосах и провальных воронок на уступах карьеров. При подземной разработке с фильтрацией связано выпирание пород почвы и отслоение пород кровли, при небольшой мощности водоупоров — внезапные прорывы воды, плывунов и глин в выработки.

Фильтрация в толще полезных ископаемых ускоряет процессы их выветривания и выщелачивания, вызывает изменение физических и механических свойств, химического состава и ухудшение качества добываемого минерального сырья (особенно по фракционному составу и влажности).