§ 20. Тепловые свойства горных пород

Изменения температуры меняют состояние гооной породы, а следовательно, и все ее физико механические характеристики. Существенное значение имеют резкие колебания температуры, приводящие с течением времени породу к разрушению

С углублением подземных разработок температура горных пород повышает ся в соответствии с геотермическим градиентом и, например, на глубине около 1 ООО м составляет 30—ЗУ.

Проветривание подземных выработок способствует интенсивному теплообмену между обнажениями боковых пород и воздухом, понижает температуру этих по­род в некоторой области, окружающей выработки. Обратное явление наблюдает­ся в выработках, проведенных в полосе вечной мерзлоты. Здесь проветривание, в особенности в лешее время, повышает температуру боковых пород, вызывая оттаивание их. При искусственном замораживании горных пород, применяемом при проведении стволов шахт в особо тяжелых естественных условиях, температура пород понижается до —15° и больше, а затем, после проведения выработки, при искусственном оттаивании повышается до и больше.

Тепловые свойства горных пород изучены слабо. Исключение составляют мерз­лые грунты, механика которых трудами наших ученых (М. И. Сумгин, Н. А. Цы- тович и др.) в последнее время оформилась в стройную отрасль прикладных знаний.

Тепловые свойства горных пород, как и других тел, ^характеризуются: теп­лопроводностью, теплоемкостью и объемным или линейным расширением.

Теплопроводность горной породы в целом зависит от теплопроводности ее составных частей. Кристаллы имеют различную теплопроводность по различ­ным направлениям. В этом отношении наблюдается большое сходство оптических и тепловых свойств кристалла. Оптически положительные кристаллы, за неболь­шими исключениями, термически также положительны. Теплота распространяет­ся в них в направлении главной оптической оси с большей скоростью, чем в перпендикулярном направлении (в кварце, например, в 1,32 раза). Если в горной породе взять какое-либо направление то, следуя ему, получим на пути боль­шое числое переходов от одних различно ориентированных минеральных зерен к другим, от зерен к пустотам (порлм) с водою или без нее и т. д. Эги переходы или контакты вызывают скачки температуры, усложняющие явление теплопро­вод locrn. При передаче теплоты от зерна с одной теплопроводностью к зерну с другой теплопроводностью имеет значение так называемая внешняя тепло­проводность, зависящая от состава обоих зерен и вида контакта между ними Коэфициент внешней теплопроводности представляет количество тепла, которое 1еряется единицей поверхности контакта меладу зернами в единицу времени при разнице температур соприкасающихся зерен 1°. Сопротивл-ние пои про­хождении теплоты через сложную породу равно сумме всех сопротивлений.

3*

35

■щщшття

По 1еплопроводности на первом Mecte стоя! щелочные Хлориды. Относи­тельно высокой теплопроводностью обладают также сульфиды н окислы тяже- 1Ы\ металлов, Теплопроводность окислов примерно в сто раз меньше тепло­проводности соответствующих металлов [22].

Лабораторные определения коэфициента теплопроводности показывают, что в (.реднем изверженные и метаморфические породы проводят тепло в 3—5 раз лучше, чем осадочные. Железистые кварциты, особенно же пирротин, имеют теплопровод­ность, близкую к теплопроводности металлов.

Кроме минерального состава, на теплопроводность горной породы оказывают вчияние пористость (плотность) и влажность. Влияние пористости (плотности) ус­матривается из данных табл. 9 [5], а влияние влажности — из табл. 10.

Таблица 9

Порода	Плогноаь	Теплопроводность кал\см-сек на 1
В\лканическая лава . . . . » к • . • 1	1,839 2,284 3,618 2,826	0,00274 0,00308 0,00399 0,00464 Таблица 10
Порода	Теплопроводность в кал/см-сек на 1°
	сухой j влажный
Красный песчаник .... Глина Кварцевый песок	0,0025 0,0025 0,0010	0,0060 0,0035 0,0082

Чем более сухой является порода, тем меньше ее теплопроводность. Песок с влажностью в 11,3% (по объему) имеет теплопроводность 0,0027, а совершенно сухой — только 0,0008.

Установлено, что теплота лучше всего распространяется по плоскостям спай­ное! и. В сланцевых породах теплопроводность в направлении слоистости значи- 1ельно больше, чем в перпендикулярном направлении (для слюдяного сланца в трн раза). В табл. 11 даны значения коэфнцнента теплопроводности для некото­рых горных пород.

Таблица 11

Породы	Теплопроводно! ть кал/см-сек на Г
Кристаллические и вулканические породы: Трапп Серпентин	0,0058 0,0051 0,0056 0,0035 0,0052
Слоистые породы н сланцы-	0,0051 0,0033-0,0056'
0(адочные породы. Мел Воздух (ОС)	0 0025 - 0,0067 0,0036—0,0055 0 0022 0.0128 0,0007- 0,0012 0.0014 0,000057

3 Ь

Теплоемкость (средняя) — отношение количества теплоты Q, сообщенной те- л\ в каком-либо процессе, к соответствующему повышению температуры Таким образом,

1

'' р = 7^77 = ' ^dt>

t,

где с_и — истинная теплоемкость тела, определяемая при условии, что повышение температуры исчезающе мало.

Теплоемкость зависит от температуры. При низких температурах она вообще ниже, чем при высоких. Исключение составляют барит и церуссит. Силикаты Са, Mg, Fe и А1 в интервале температур от 0 до 1 200° имеют теплоемкость при­мерно на 45% выше, чем в интервале от 0 до 100°. Если не считать чистых ме­таллов, то наименьшей теплоемкостью обладают сернистые соединения. В табл. 12 даны значения теплоемкости для некоторых горных пород.

Таблица 12

Минералы, горные породы	Температура измерения, °С		Теплоемкост ь
	0-	2000	0,4750
Каменная соль		0	0 2146
	16	- 96	0,1742
Кварц	0	-100	0,1913
Кальцит .	0	-300	0,2204
Гранит	12	-100	0,1940
Песчаник	0	-100	0,1740
	15	-100	0,2166
	20	- 98	0,2343
Уголь			0,3000

Кристаллы при нагревании расширяются различно по различным направлениям. В общем случае в кристалле различаются три термические оси. Это — направле­ния наибольшего, среднего и наименьшего расширения. Эти оси в нагретом кри­сталле определяют эллипсоид. В кристаллах кубической сингонии тепловой эллип­соид обращается в шар. В тетрагональных и гексагональных кристаллах одна из осей теплового эллипсоида совпадает с главной оптической осью. В ромби­ческих кристаллах оси эллипсоида параллельны кристаллографическим осям. В чоиоклннной сингонии одна из осей эллипсоида перпендикулярна плоскости сим­метрии и. наконец, в триклинных кристаллах тепловые оси вообще не совпадают с кристаллографическими.

В зависимости от коэфициента расширения тепловой эллипсоид может быть вытянутым (известковый шпа^т) или же сплюснутым (кварц, гематит) по главной оси. У некоторых минералов (известковый шпат) при нагревании по некоторым направлениям получаются сокращения. В других минералах (кварц) расширение от нагревания в одном направлении превышает примерно в два раза расширения в других направлениях.

Коэфициент линейного теплового расширения зависит от температуры. Для определенных температурных интервалов обычно пользуются средними значениями этого коэфициента. Значения его для некогорыл пород даны в табл. Ы.

Минералы и горные породы

Каменная соль

Песчаник (параллельно слои­стости)

Гранит (параллельно слои­стости)

Известняк

Таблица 13

Интервалы	а
температуры
50- 60°	0.00С040390
—	0,0000110
	0,000008
—	0,000008

При нагреве кристалла в его слоях устанавливаются различные температуры i меньшающиеся по мере удаления от поверхности. Например, разница темпе-

ратур между поверхностью кристалла, натретой солнцем до СО*, и слоем, расяо- ложениым на 1 см ниже, составляет около_5°. Эти различия температур создают неодинаковые расширения слоев.

При нагревании связного кристаллического агрегата тепловое расширение вызывает механическое (растяжение, сжатие, сдвиг) взаимодействие между состав­ными частями агрегата. В результате возникают внутренние напряжения, под влия­нием которых появляются трещины, отслаивания и т. п. Эффект разрушения породы при этом во многом зависит от взаимного расположения зерен породы и состава их, определяющего величины теплового расширения и разные значе­ния теплоемкости.

Прн отрицательней температуре замерзает вода, находящаяся в порах и тре­щинах связной горной породы. При этом в первую очередь замерзает грави­тационная вода, заключенная в наиболее крупных порах и трещинах. Что же касается воды, заключенной в тонких капиллярах, и вообще веды гигроскопи­ческой, удерживаемой молекулярным притяжением, то она может не замерзать при температурах —30° и ниже, оставаясь в переохлажденном состоянии.

Переход воды в лед зависит, как известно, от температуры и давления. На диаграмме состояния тройная точка, отвечающая состоянию во ы в твердом, жид­ком и газо бразном состояниях, соответствует 0,0074° и давлению 4,583 мм рт. ст При переходе воды в лед имеет место увеличение объема приблизительно на 9%. Если вода заи ччняет не больше 85 90% объема пор. то это увеличение объема не оказывает влияния на прочность породы.

Мерзлая горная порода представляет собою ноликристаллический агрегат, в кото; ом одним нз компонентом является лед. В связи с этим изменяются меха­нические свойства породы.

Ген юпроводность льда в несколько раз больше теплопроводности воды (соот­ветственно 2,0 п 0 5 клл/м'час °С). В связи с этим теплопроводность мерзлой породы вообще больше теплопроводности этой же породы в обычных условиях. В мерзлой горной породе лед играет роль цемента. Поэтому прочность этой породы представляется повышенной.

Упругие и пластические свойства горных пород с замерзшей в них водою, насколько известно, не изучены. Напротив, для льда и мерзлых i рунтов эти свойства исследованы довольно подробно. Об эте м см. специальные сочинения [*<3].

При исследовании механических свойств естественных грунтов существенное значение приобретает теория равновесного состояния воды в этих грунтах [Н]. Со­гласно этой теории, в любом мерзлом грунте прн любой его отрицательной темпе­ратуре в природных условиях всегда содержится некоторое, хотя бы и весьма не­значительное количество воды в жидкой фазе, находящееся в равновесном состоя­нии с величиной внешних воздействий и количественно изменяющееся с изменениями последних.