Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція

Теплові властивості гірських порід

Поглинання породами тепла відбувається згідно 1 закону термодинаміки

де - тепло, що витрачається на повішення внутрішньої енергії тіла;

- тепло, що зачіпає на зовнішню роботу ;

- теплоємність при постійному об'ємі;

- віднесена до одиниці маси кг породи, називається питомою теплоємністю породи.

Передача тепла в однорідних тілах відбувається або в процесі обміну кінетичної енергії електронів (електронна теплопровідність), або в поступовій передачею коливань кристалічних грат від однієї частинки до іншої - (фотонна теплопровідність).

Кожний фонон володіє енергією , - постійна, - частота коливань.

Передача тепла в гірські породи в основному фонона.

У разі теплового потоку в ізольованому зразку породи з температурою в протилежних площин та ,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кількість тепла , що проходить від однієї площини до іншої через майданчик за час

- коефіцієнт теплопровідності;

- різниця температур площин зразку;

- відстань між площинами зразку.

Параметр - виражає зміну температури довжини уздовж осі x і називається температурним градієнтом.

Параметр - називається питомим тепловим потоком, і виражає кількість тепла, що протікає в одиницю часу через майданчик .

Коефіцієнт теплопровідності порід визначає кількість тепла, що проходить через одиницю площі в одиницю часу при температурному градієнті рівному:

Теплопровідність визначається:

температуропроводність гірска порода мінерал

де - середня швидкість пружних хвиль в породі;

- густина породи;

- середня довжина вільного пробігу фотона.

Закономірність розповсюдження тепла в гірських породах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівняння розповсюдження тепла і розподіл температур в породі для випадку нестандартного теплового потоку найбільш просто виводиться для одновимірного теплового потоку.

Якщо Т- температура в центрі породи з розмірами, то температуру в будь-якому його перетині можна виразити через градієнт температури

Для граней 1 та 2 відповідно температура:

Потік тепла, що проходить через грані 1 та 2

Різниця буде кількістю теплоти, поглиненою породою:

- коефіцієнт температуропроводності

відношення питомої теплопровідності до об'ємної теплоємності.

- рішення плоскої задачі.

Для об'ємного теплового потоку цього рівняння набуває наступний вигляд:

де а - температуропроводність породи;

- оператор Лапласа.

Температуропроводність характеризує швидкість розповсюдження ізотермічної поверхні в породі .

Якщо в породі є внутрішні джерела тепла питомої потужності , то

Якщо тепловий потік стаціонарний, то в досліджуваному об'ємі породи відсутнє поглинання тепла, то - це рівняння Лапласа.

Окремий випадок теплообміну через якусь граничну поверхню від однієї породи до іншої, що має відмінні від першої теплові властивості називається теплопередачею. Кількість теплоти перейшла з однієї породи в іншу визначає:

де - коефіцієнт теплопередачі залежний від властивостей дотичних тіл .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплопередача походить від розповсюдження теплового потоку перпендикулярно до шаруватості і трещенуватості порід на контактах впливаючих порід. Вона відбувається також між породою і флюїдами в цьому випадку вона називається тепловіддачею.

Тепловіддачу важливо знати, при розрахунках провітрювання і теплового режиму глибоких шахт, процесах термобуріння.

Тепло, поглинене гірськими породами розходиться як на підвищення її температури так і на зовнішню роботу зв'язану в основному з тепловим розширенням. Зв'язок між підвищенням температури і подовженням породи

де - коефіцієнт лінійної температури розширення

- первинна довжина зразка.

- об'ємне розширення, де - коефіцієнт об'ємного теплового розширення.

Теплоємність порід

Питома теплоємність мінералів і порід змінюється від 0,4 - 2 кДж/кг. Звичайно вона вище за питому теплоємність мінералів.

У мінералів із зменшенням їх густини спостерігається підвищення питомої теплоємності. При цьому їх об'ємна теплоємність змінюється від 1,5-3 мДж/м.куб.

Питома теплоємність щільної породи залежить тільки від її мінерального складу і може бути розрахований по формулі

де - відносний масовий зміст мінералу з питомою теплоємністю

Рудні мінерали мають низьку теплоємність.

Об'ємна теплоємність пористої породи визначається

де - відповідно питома теплоємність і густина мінералів.

Теплопровідність і температуропроводність порід.

Мінерали і породи, є поганими провідниками тепла, і мають значення теплопровідність від 1 - 7 Вт. Великою теплопровідністю від 30 - 40 м.к. володіють лише деякі мінерали наприклад сфалерит.

Підвищену в порівнянні з іншими нерудними мінералами теплопровідність мають гідрохімічні осідання - кам'яна сіль, сильвин, ангедрит.

Теплопровідність порід визначається здатністю мінералів що складають породу, проводити тепло.

В шаруватих середовищах спостерігається велика теплопровідність уздовж шаруватості ¦, ніж перпендикулярна шаруватості : коефіцієнт анізотропії теплопровідності шаруватих гірських порід в середньому 1,1 -1,5.

Як відомо теплопровідність повітря дуже низька 0,023 Вт./м²; тому в сухих пористих породах нижче теплопровідність непористих порід.

Виключно велику роль грає форм пір в породі.

Якщо пори в породі подовжені, ( типу тріщин), то теплопровідність значно зменшується при розташуванні пір перпендикулярно тепловому потоку

де - коефіцієнт теплопровідності мінеральної фази породи.

Якщо тепловий потік направлений уздовж тріщин, то Вв < < Во Вср. = Во(1-Р)

Як правило, відбувається зменшення теплопровідності порід із зменшенням розмірів зерен.

Межі зміни температуропроводності порід порядку 10^-6, 10^-7 м².

Із збільшенням густини температуропроводність порід трохи зменшується.

Температуропроводність порід, як і теплопровідність, залежить від їх будови. Уздовж шаруватості d¦ завжди більш ніж перпендикулярно їй .

Пористість порід приводить до зниження їх температуропроводності

.

Теплові властивості необхідно знати:

1. При дослідженні і визначенні теплового балансу Землі.

2. При дослідженні і виборі ефективних методів руйнування гірських порід.

3. При розрахунках і визначенні ефективних схем вентиляції і провітрюванні шахт і глибоких кар'єрів.

Размещено на Allbest.ru