8 Термодинамические свойства горных пород

Термодинамические свойства характеризуют способность породы накапливать и передавать тепло и определяют ее поведение в температурном поле.

8 1 Общие сведения о температурном поле в горных породах.

Источниками тепла для Земли являются: радиоактивные (тепло получается при распаде радиоактивных элементов, которые залегают на глубинах до 200 км); Солнце; тектонические и химические процессы внутри Земли.

От солнца Земля (горные породы) получает количество тепла порядка 10²¹ – 10²² дж в год, от радиоактивного распада в 10 раз меньше, но энергия Солнца проникает в глубь земли всего на 20 м, поэтому главный источник тепла для горных пород – радиоактивный распад.

Температурное поле земли по своему характеру очень сложно, т.к. радиоактивные элементы в коре Земли распространены очень неравномерно, но, в общем, с глубиной температура пород увеличивается.

Температурное поле массива горных пород в данном районе характеризуется следующими параметрами: глубиной и температурой пород в нейтральной зоне, а также величиной геотермической ступени.

Нейтральная зона – зона, где температура неизменна в течение года. Для Донбасса ее глубина 20 м и температура 8,5ºС.

Геотермическая ступень – глубина, на которой температура пород увеличивается на 1ºС. Для Донбасса это ~ 30 м, для Кривого Рога – 55 м, для Камчатки – 2,5 м, а для Японии – 1,5 м.

8 2 Основные тепловые параметры горных пород

Базовыми параметрами тепловых свойств горных пород являются:

1. Удельная теплоемкость – с, кДж/кг град.

2. Коэффициент теплопроводности – λ, Вт/м град, кДж/м с град.

3. Коэффициент линейного температурного расширения – α, 1/град.

Кроме того, известны другие, часто применяемые в горных расчетах, параметры тепловых свойств пород:

4. Коэффициент температуропроводности — а, м²/с.

5. Коэффициент объемного теплового расширения – γ_т, 1/град

6. Коэффициент теплопередачи – К, кДж/м² с град.

7. Удельная теплота плавления – L, Дж/кг.

8. Температурный интервал плавления – (Т₁ – Т₂), ºС.

Для углей, кроме того, различают: теплотворная способность, термохимическая стойкость, коксуемость, спекаемость и выход летучих.

Рассмотрим некоторые параметры, указанные выше, подробнее.

Удельная теплоемкость – количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг породы на 1 градус.

(8.1)

Для горных пород дельная теплоемкость изменяется в пределах от 0,4 до 2 кДж/кг град. Например: для каменного угля с =1,3 кДж/кг град; для антрацита с = 0,93 кДж/кг град; для известняка с = 0,67  1,04 кДж/кг град; для песчаника с = 0,81 кДж/кг град; для сланец с = 0,75 кДж/кг град.

Теплоемкость горных пород не зависит: от состояния, в котором находится порода (нормальном или расплавленном); от зернистостости породы; от слоистости, т.к. передача тепла в горных породах фотонная, представляющая собой особый вид колебания кристаллической решетки.

Теплоемкость зависит только от пористости горной породы

(8.2)

где с_о и ρ_о – теплоемкость и плотность минералов, слагающих горную породу.

Коэффициент теплопроводности – количество тепла, проходящего через породу за 1 ед. времени через 1 ед. площади при градиенте температуры равном 1 ед.

Это вытекает из закона Фурье

, (8.3)

Знак «минус» указывает на то, что поток тепла направлен навстречу градиента (в направлении уменьшения температуры).

Для горных пород λ = 0,1  7 Вт/м град. Например: для угля λ = 0,5  0,9 Вт/м град, для антрацита λ = 0,4 Вт/м град; для известняка λ = 1,0  2,3 Вт/м град; для песчаника λ = 1,3  4,2 Вт/м град; для сланца λ = 1,5  2,2 Вт/м град.

Величина коэффициента теплопроводности зависит: от пористости породы (у песка он в 6  7 раз меньше, чем у песчаника); от формы пор и трещин (если удлиненные поры или трещины перпендикулярны тепловому потоку, то λ уменьшается); от размеров зерен (с уменьшением зерен уменьшается и коэффициент теплопроводности).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость распространения изотермической поверхности в породе. Эта скорость зависит не только от теплопроводности, но и от теплоемкости и его величину обычно получают расчетным путем

(8.4)

Для горных пород величина коэффициента температуропроводности изменяется от10^-6 до 10^-7 м²/с.

Коэффициент теплопередачи характеризует способность пород передавать тепло из одной породы в другую.

На границе перехода из одной породы в другую закономерность передачи тепла следующая

(8.5)

Коэффициенты объемного и линейного температурного расширения пород характеризуют связь между повышением температуры пород и увеличением их линейных размеров или объема.

(8.6)

Для горных пород величина коэффициента линейного температурного расширения изменяется в пределах от 210^-6 до 1010^-4 1/град. Например: для песчаника α = (0,5  1,2) 10^-5 1/град; для известняка (0,5  0,89) 10^-5 1/град; для сланца  ~ 0,9 10^-5 1/град.

Величины коэффициентов и зависят от размеров зерен, слагающих горную породу (увеличиваются с увеличением зерен) и от пористости породы (увеличиваются с увеличением пористости).