Испытания признают действительными в случае образования сквозного скола, проходящего через ось нагружения образца. При образовании косого скола - от точек нагружения к боковым граням образца результаты испытания бракуют. Косые сколы часто возникают, если ось нагружения не совпала с наименьшим линейным размером образца или была удалена от боковой грани менее чем на половину расстояния между точками приложения нагрузки.
При разрушении образца на 3 или 4 части суммарную величину площади поверхности скола оценивают по формуле Sр = S1 + S2 + S3, где S1, S2, S3 - площадь одной из противолежащих поверхностей скола частей образца.
Части образцов могут быть испытаны повторно при условии, что они имеют достаточные размеры, а образующаяся при повторном раскалывании поверхность скола не проходит через ось нагружения при первоначальном испытании.
В общем случае график изменения результатов опробования по профилю представляется ломаной линией. Разброс значений на графике обусловлен природной изменчивостью показателя и случайными погрешностями оценок в точках наблюдений. Статистический анализ последовательных данных позволяет установить с определенной вероятностью значимость различий между оценками по профилю. Совокупность сближенных оценок, различающихся статистически незначимо, образует однородный участок. Под статистически однородным участком понимается математическая модель интервала профиля опробования, разделение которого на более дробные части не обоснованно их существенным статистическим различием.
Выделение статистически однородных участков по результатам опробования основывается на общих положениях, сформулированных А.Б. Вистелиусом: точка опробования характеризует локальный участок; распределение значений показателя в пределах локального участка не противоречит нормальному закону. Предположение о нормальности локальных распределений не означает, что распределение показателя по совокупности проб будет нормальным.
Функция нормального распределения характеризуется средним значением и дисперсией. При одинаковой изменчивости результатов испытаний и примерном равенстве средних значений геологического показателя в точках опробования на участке профиля, участок следует признать статистически однородным.
Сравнение средних значений показателя на участке проводится при помощи статистики Д.А. Родионова:
где п - общее число точек опробования на профиле, дихотомически разделяемое на части объемом n 1и n 2.
i - номера точек опробования в линейно упорядоченной совокупности замеров.
f - значение показателя в точке.
Статистика Vk распределяется по закону Пирсона. Гипотеза об однородности замеров по профилю принимается, если 
и отклоняется, если Σ νk ≥ χ 2 q,m. При разграничении значений показателя полученных по выработке в качестве критического значения критерия Пирсона принимается величина 
.
Если гипотеза об однородности принята, то любые разграничения исследуемой совокупности замеров по профилю будут статистически не обоснованы. Если же принята альтернатива, то из этого следует, что изучаемый профиль по имеющимся данным может быть разделен по крайней мере на две совокупности, причем в качестве предпочтительного варианта разграничения принимается тот, которому соответствует максимальное значение статиcтики 
.
В свою очередь каждая из двух совокупностей, полученная в результате анализа проверяется на однородность. В зависимости от результатов проверки, каждая совокупность делится опять на две части или же остается единой. Эта процедура продолжается до тех пор, пока все выделенные подмножества точек опробования не окажутся однородными.
Следующим этапом анализа линейно-упорядоченных данных является устранение ложных границ по профилю. Часть границ между участками может оказаться ложными вследствие особенностей разбиения выборки. Для выявления ложных границ, данные по замерам выделенных смежных участков объединяют и проводят анализ полученной совокупности на однородность.
На всем протяжении статистически однородного участка в качестве оценки анализируемого показателя принимается его средневзвешенное значение. Статистически сглаженный график изменения показателя будет иметь вид ступенчатой линии с резко выраженными границами однородных участков.
Тема 13. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВОДА (а. water)- оксид водорода. Хим. формула: H2O (мономолекула). В. встречается в разл. физ. состояниях в 9 устойч. изотопных видах. В пресной В. наиболее распространены (мол. %) 1H216O – 99,73, 1H218O – 0,2, 1H217O – 0,04, 1H2H16O – 0,03 (тяжелая В.). В мономолекуле В. атомы водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник. Валентный угол H-O-H 104,3º (рис. 1). В. типичный диполь. Диполи соединяются в ассоциации с общей формулой (H2O)n. Ассоциаты В. могут иметь циклическое, цепочечное и ветвистое строение (рис. 2).
Электростатические связи между диполями В. динамичны и определяются термодинамическими условиями. При 100ºС кол-во ассоциаций сокращается до 30%, а при 374ºС стремится к 0%. Мономолекула В. может иметь четыре водородные связи (рис. 3). Угол O-H…O в тетраэдрическом ассоциате близок к 180º. Характер связи H и O определяет структурное строение и свойства В.
В. – один из главных компонентов геол. среды и живых организмов. Цвет, прозрачность, вкус и запах В. зависит от наличия механических примесей, органики и растворенных веществ. Темп-ра плавл. В. 0ºС, кипения 100ºС, критич. 374,15ºС, ркрит 22,06 МПа, dкрит 0,322 г/см3, ΔHºпл 5,99 кДж/моль, ΔHºвозг льда при 273ºK 51,055 кДж/моль, плот. в твердом состоянии 0,917, плот. жидкой фазы 0,9÷2,4 г/см3. Диэлектрическая проницаемость в твердом состоянии при 0ºС 91, жидком состоянии при 25ºС 78,3.
В. является аккумулятором тепловой энергии, действующей силой природных процессов. Благодаря высоким значениям теплоемкости, энтальпии плавления и испарения (ΔHº) В. – регулятор климатич. условий, теплоноситель в техн. системах.
При охлаждении (0ºС) структура В. перестраивается в наименее плотную гексагональную упаковку (лед). По расположению атомов H и O различают 9 модификаций льда. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Нагретая В. обладает более высокой растворяющей способностью, кислой реакцией, электропроводностью, повышенной биологической активностью. В. экранирует космические излучения, определяя и по этому фактору отличия водных и наземных биоценозов.
Мономолекулы В. взаимодействуют с полярными молекулами др. веществ. При взаимодействии с В. многие оксиды образуют кислоты или основания. В. окисляется атомарным кислородом: H2O+O→H2O2, подвергается электролит. диссоциации по схеме: H2O↔H++OH-, что приводит к образованию ионов H3O+ и H5O2+, играющих важную роль в хим. и биологических процессах.
Высокая диэлектрическая проницаемость и дипольный момент определяют растворяющую способность В. При растворении солей в В. сила электрического взаимодействия между ионами уменьшается в 80 раз. При выпаривании растворенные вещества осаждаются в химически неизмененном виде, что имеет важное геол. и биологическое значение.
По отношению к поверхности Земли различают В. атмосферную, поверхностную и подземную. В недрах присутствуют: пар; хим. и физ. связанная В., свободная В., лед и В. в надкритическом состоянии.
Содержание пара в верхней части земной коры >10% от суммы газов, а общее количество составляет >0,001% от массы земной коры. Пар является единственной формой В., способной перемещаться при небольшой влажности пород. Летом перемещение пара в грунтах осуществляется к поверхности, зимой - от поверхности, при конденсации пополняя запасы подземных вод. Глины могут содержать до 15%, пески до 5% В. в парообразном состоянии. Наряду с холодным паром в недрах образуется горячий пар в смеси с перегретыми водами (100÷300ºС).
Хим. связанная В. подразделяется на конституционную и кристаллизационную. Конституционно связанная В. входит в кристалл. решетку минералов в виде ионов ОН-, Н+ Н3О+. Кристаллизационная В. входит в состав минералов в виде молекул H2О. При темп-ре >100ºС происходит дегидратация минералов. Выделение химически связанной В. из минералов приводит к образованию новых минеральных видов.
Физ. связанная В. характерна для глинистых и трещиноватых г. п. Различают прочносвязанную В., удерживаемую минеральными частицами силами молекулярного взаимодействия, в 70 тыс. раз превышающими силы гравитации и пленочную В. - диффузионную. При конденсации прочносвязанной В. выделяется 400 Дж/г энергии. По свойствам эта В. близка к твердому телу: плотность 1.2÷2.4, а темп-ра замерзания -78ºС, не растворяет соли, перемещается только в парообразном состоянии при темп-ре более 105ºС.
Пленки В. в породе имеют толщину <20 нм. Пленочная В. частично утрачивает связь с минеральными частицами, не подчиняется силе тяжести, не передает гидростатическое давление. Пленочная В. обладает расклинивающим эффектом и диспергирует г. п. В глине масса пленочных растворов может превышать вес самой породы. При литификации пленочная В. удаляется. Наибольшую ионную силу пленочная В. имеет на расстоянии до 3 нм от минеральных поверхностей.
Свободная В. разделяется на капиллярную и гравитационную. Капиллярная В. состоит из капель разделенных менисковыми поверхностями, перемещается под действием поверхностной диффузии и не реагирует на разность давлений. Предельная высота поднятия капиллярной В. в крупном песке 4 см, среднезернистом 35 см, глине 6 м. Диссоциация В. в микропорах и капиллярах возрастает на 6 порядков по сравнению с нормальными условиями, что, в свою очередь, влечет за собой аномально высокую растворимость в В. веществ, которые в обычных условиях слабо растворимы или нерастворимы вообще. Гравитационная В. находится в физически свободном состоянии, подчиняется действию силы тяжести, передает гидростатическое давление, малосжимаема. Объемный модуль Юнга зависит от темп-ры, минерализации и газированности В., для чистой В. Е≈2∙10 МПа.
В магматических очагах, а также на глубине >5 км при t 374÷450ºС и давлении >22 МПа В. находится в надкритическом состоянии и диссоциирует на ОН-, Н+. В. и растворы после воздействия высоких темп-р и давлений, находятся в метастабильном состоянии и обладают повышенной растворяющей способностью карбонатов, силикатов, окислов. При нормальных условиях степень диссоциации В. быстро снижается, что определяет динамику биологической активности термальных вод.
На структуру и свойства В. влияет минеральный состав вмещающих пород. Переход в раствор ионов Fe3+; Al3+; Fe2+; Mg2+; Li+; CO32-; HCO3-; Ca2+; Na+; SO42- аналогичен понижению темп-ры В. и повышению давления. Ионы K+; Rb+; Cs+; Cl-; Br-; I- воздействуют противоположным образом. При росте давления в раствор переходят ионы, определяющие структурные изменения В. как при понижении давления.
Подземные В. по условиям накопления, питания и движения подразделяются на почвенные, верховодку, грунтовые и пластовые, по характеру коллекторов на: поровые, трещинные и карстовые.
В. в твердом состоянии как мономинеральная порода (лед) и лед-цемент могут быть встречены на 70% терр. России. В зонах многолетней мерзлоты выделяют В.: надмерзлотные, сквозных таликов, подмерзлотные, межмерзлотные и внутримерзлотные.
Темп-ра подземных В. зависит от глубины залегания коллекторов, условий питания и разгрузки, характера вмещающих г. п. Различают весьма холодные (<4ºС), холодные (4÷20º), теплые (20÷37º), термальные (37÷42º), весьма горячие (42÷100º), перегретые В. (>100º).
Величина электропроводности В. определяется составом и концентрацией растворенных хим. соединений, а также темп-рой. В., содержащая Rn, Ra, U, радиоактивна.
Подземные В. за счет гидростатического (Архимедова) взвешивания скелета г. п. и гидростатического давления на скелет г. п. при движении подземных потоков оказывают силовое воздействие на породные массивы. Водные растворы действуют на массивы г. п. и как ПАВ, снижая прочность г. п., вызывая их диспергирование, увеличивая скорость пластических деформаций, снижая способность пород накапливать упругую энергию (эффект Ребиндера).
Влияние подземных вод на ведение горн. работ состоит в подтоплении горн. выработок, изменении физико-механических свойств и напряженного состояния породного массива, деформациях бортов карьеров и подземных горн. выработок, в снижении качества п. и., в коррозирующем и агрессивном действии подземных вод на горн. оборудование, крепь выработок.
Разрушающая работа подземных В. сводится к взаимодействию с г. п. (растворение, гидратация, гидролиз, окисление, выщелачивание). Перенос вещества осуществляется в виде истинных и коллоидных растворов. Осаждение хим. осадков связано с изменением термобарических условий и окислительно-восстановительного потенциала В. и вмещающих пород и происходит путем заполнения полостного пространства недр или метасоматического замещения вмещающих пород. Растворение г. п. под воздействием В. приводят к образованию пустот (карста) в соляных, сульфатных и карбонатных толщах. Движение гравитационных В. сопровождается механическим разрушением песчано-глинистых породных массивов (суффозия, оплывание).
Хим. состав растворенных веществ и минерализация В. определяют ее кислотность, жесткость и агрессивность. Осн. анионы подземных вод: HCO3-, Cl-, SO42-. Катионы: Na+, Ca2+, Mg2+. Реже встречаются: CO32-, NO3-, NO2-, CH-, K+, Fe3+, NH4+, H+ и др. В зависимости от относительного содержания анионов различают гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные воды.
В. ценнейшее п. и. Различают природную, питьевую и техн. В. Природная В. –многокомпонентная система, включающая минеральные вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, а также микроорганизмы. По степени минерализации (г/л) природной В. различают: ультрапресную (<0.2), пресную (0.2÷0.5), слабоминерал. (0.5÷1), солоноватую (1÷3), соленую (3÷10), с повышенной соленостью (10÷35), переходную к рассолам (35÷50) и рассолы (>50). Макрокомпонентами природная В. обычно являются Ca, Mg, Na, K, Fe, S, Cl. К микрокомпонентам природной В. относятся B, Li, Rb, Cu, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I, др. элементы. Осн. газы, содержащиеся в природной В. – O2, CO2, N2, CH4, CO, H2. Требования к питьевой В. определяются санитарно-эпидемиологическими нормами, к техн. В. - техн. условиями применения.
Наличие В. влияет на технол. свойства п. и., теплоту сгорания, термическую стойкость, обогатимость, время коксования и стоимость перевозки твердых горючих п.и. Массовая доля В. в торфе достигает 90%, в бурых углях 1Б-до57%, 2Б-45-30%, 3Б-30-8%, каменных углях и антрацитах до 8%.
Требования и методика гидрогеологических работ на горнодобывающем предприятии определяется гидрогеологическими условиями, положением продуктивной толщи в гидрогеологическом разрезе и опасностью прорывов воды в горные выработки.
Гидрогеологические работы геологической службы предприятия включают:
- фиксацию водопроявлений и регулярную оценку водопритоков в горные выработки;
- гидрогеологический контроль при ведении горных работ в зонах опасных по прорыву воды;
- оценку напоров воды в почве и кровле выработок по скважинам эксплуатационной разведки, в бортах карьеров;
- наблюдения за уровенным режимом подземных и поверхностных вод;
- гидрогеологическое обследование горных выработок и земельного отвода;
- гидрохимическое опробование подземных и поверхностных вод;
- обобщение результатов гидрогеологических наблюдений, прогноз ожидаемых водопритоков в горные выработки и динамики уровенного режима подземных вод при развитии горных работ.
Суммарные водопритоки в шахту или карьер оцениваются по производительности водоотливных насосов не реже одного раза в квартал с контролем по времени заполнения водосборника при отключенных насосах. При увеличении притока более чем на 20% геологическая служба информирует главного инженера о необходимости принятия мер по предотвращению возможного накопления воды.
При ведении горных и буровых работ в зонах опасных по прорыву воды при наличии водопроявлений, замеры притоков воды в соответствующие выработки должны производиться не менее одного раза в сутки.
При документации вновь выявленных водопроявлений, включая капеж по системе техногенных водопроводящих трещин, замеры притоков воды и оценка объема вынесенного материала производятся в первые сутки через каждый час, а в последующем - один раз в сутки до полной стабилизации притока или его прекращения. При усилении водопритока следует немедленно информировать о результатах наблюдений главного инженера.
Все водопроявления и результаты замеров притоков воды фиксируются в специальном журнале; сведения о прорывах воды (плывунов) - в журнале прорывов. На каждый прорыв составляется акт.
Места всех водопроявлений (прорывов воды), а также пункты замера притоков (расходов) наносятся на чертежи первичной и сводной геологической документации и рабочие маркшейдерские планы.
На горнодобывающем предприятии не менее одного раза в год производится гидрогеологическое дообследование всех доступных горных выработок, в процессе которого:
- выявляют места и характер поступлений воды в выработки (струи, капеж, и др.) и определяют дебит водопроявлений;
- определяют источники питания водопроявлений.
При выявлении водопритотока из недоступной горной выработки геолог обязан определить величину притока воды на сопряжении горных выработок и немедленно информировать о результатах наблюдений главного инженера.
Режимные наблюдения на поверхности проводятся с целью оперативного контроля за динамикой депрессионной воронки при развитии горных работ, выяснения гидравлической связи водоносных горизонтов с поверхностными водами, разработки мероприятий по поддержанию водного режима земельных угодий в зоне влияния горных работ.
Организация наблюдений предусматривается специальным проектом по сети скважин (пьезометров). Частота наблюдений - один раз в месяц. В паводковые периоды уровни подземных вод следует измерять каждые 5-10 суток. Все наблюдательные скважины должны быть защищены от несанкционированного доступа и иметь инструментальную привязку в плановом и высотном отношении. Марки, от которых проводятся замеры уровней воды, должны иметь инструментальную высотную привязку, отметка которой должна периодически проверяться.
Гидрогеологическое обследование земной поверхности включает проведение маршрутной съемки в контурах земельного отвода. Обследованию подлежат: водоемы, водотоки, овраги, дренажные канавы и гидронаблюдательные скважины, устья ликвидированных выработок, заболоченные участки, воронки и провалы. В ходе обследования выясняют возможность локального скопления и инфильтрации атмосферных осадков, фиксируют все выходы подземных вод, замеряют их дебит, по створам определяют расход воды.
По результатам обследования земной поверхности и горных выработок делается прогноз о возможности усиления фильтрации поверхностных вод в отработанное пространство или прорыва воды из затопленных выработок, обводненных зон, водных объектов на поверхности и др. В случае непосредственной угрозы прорыва воды (затопления) результаты прогноза доводятся до сведения главного инженера немедленно.
Все результаты гидрогеологических наблюдений и замеров должны быть занесены в пикетажную книжку и рабочую книжку первичной геологической документации. Данные гидрогеологического обследования отражаются на геологическом или специальном гидрогеологическом плане.
С целью выявления изменений химического состава и агрессивных свойств подземных вод, оценки их влияния на залежь полезного ископаемого и вмещающую толщу, бетонные и металлические конструкции, горное оборудование и при сбросе воды на рельеф, один раз в год производится отбор проб воды на химический анализ.
Пробы отбирают из всех вододопроявлений в горных выработках, центрального водосборника и мест внезапного прорыва воды в выработки. При необходимости отбирают пробы из поверхностных водоемов (водотоков). Обязателен замер притоков воды и отбор проб на химический анализ на момент консервации (ликвидации) горных выработок. Отбор, хранение и транспортировку проб воды следует осуществлять в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000.
При отборе проб фиксируют температуру воды.
Пробы отбирают в стерильные стеклянные бутыли емкостью 0,5÷0,75 л с плотными пробками. Каждая пробка и бутылка перед наполнением не менее 3 раз споласкивается водой идущей на анализ. Бутылки наполняют полностью без пузырьков воздуха. Каждая бутылка должна иметь этикетку указанием: номера пробы; места отбора; даты и часа отбора; вида анализа (сокращенный, полный, специальный), органолептических показателей, номера и страницы пикетажной книжки с геологической документацией точки отбора пробы. Проба на определение: содержания общего железа должна быть исследована не позднее чем через 4 часа после отбора, показателя рН через 6 часов, других показателей не позднее 2 суток при хранении пробы при температуре от 4 до 6 ˚C.
Большая часть проб направляется на сокращенный химический анализ. Не менее 10% химических анализов должны быть продублированы. Объем проб на полный химический анализ 2,5÷3 л, на сокращенный 0,5÷1 л.
Анализы воды должны быть выполнены метрологически аттестованными методами в лабораториях, имеющих аккредитацию для выполнения соответствующих видов гидрохимических исследований.
Места отбора проб воды фиксируются в журнале учета отбора проб воды на химический анализ и соответствующем чертеже. Результаты (акты) химических анализов должны храниться в отдельной папке.
При осложнении гидрогеологической обстановки эксплуатации месторождения или проведении специальных гидрогеологических исследований требования к специальным работам должны быть определены отдельным проектом с привлечением, при необходимости, специализированных организаций и научно-исследовательских институтов.