(Продолжение)

План лекции (с.85-95/1/):

1. Теплопроводность и температуропроводность пород.

2. Тепловое расширение Термические напряжения в горных породах

1. Теплопроводность и температуропроводность.

Минералы и горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла (λ = 0,1-7 Вт/(м К)).

Большой теплопроводностью – до 30-40 Вт/(м К) обладают лишь некоторые рудные минералы, например, сфалерит.

Исключительно большое значение коэффициента теплопроводности λ наблюдается у алмаза – до 200 Вт/(м К) вследствие небольшого количества дефектов в кристаллической решётке.

Из породообразующих минералов большим значением теплопроводности обладает кварц λ = 7 – 12 Вт/(м К). Поэтому у плотных малопористых безрудных пород наблюдается повышение λ с увеличением содержания в них кварца.

Теплопроводность пород определяется способностью минералов, слагающих породу, проводить тепло.

В слоистых породах наблюдается бơльшая теплопроводность вдоль слоистости λ_║, чем перпендикулярно слоистости λ_┴.

Коэффициент анизотропии теплопроводности слоистых пород в среднем представляет 1,1-1,5.

Передача тепловой энергии в пористых породах может происходить как путём теплопроводности. Так и путём конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи).

Как известно, теплопроводность воздуха λ_в очень низка, поэтому λ сухих пористых пород всегда ниже теплопроводности непористых пород. Так, например, теплопроводность песка в 6-7 раз меньше, чем теплопроводность плотного песчаника.

Исключительно большую роль играет форма пор в породе. Если поры в породе удлинённые (типа трещин), то теплопроводность значительно уменьшается при расположении пор перпендикулярно тепловому потоку.

Существенен также состав газов, заполняющих поры. Так, водород обладает теплопроводностью в 7 раз большей, чем воздух, поэтому и теплопроводность пород, содержащих водород, больше при той же пористости.

Как правило, происходит уменьшение теплопроводности пород с уменьшением размеров зёрен. Однако это влияние наиболее существенно только при небольших их размерах.

Теплопроводности кристаллических и аморфных минералов значительно различаются, из чего можно заключить, что наличие стекловатой массы в породах понижает их теплопроводность.

Пределы изменения температуропроводности пород – порядка 10^-6 – 10^-7 м²/с.

С увеличением плотности температуропроводность пород незначительно уменьшается.

Температуропроводность пород, как и теплопроводность, зависит от их строения.

Пористость пород приводит к снижению их температуропроводности.

2. Тепловое расширение.

Коэффициенты линейного и теплового расширения пород являются важнейшими теплофизическими характеристиками, обуславливающими способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую, т.е. во внешнюю работу.

Коэффициент линейного теплового расширения α минералов уменьшается с увеличеснием энергии кристаллической решётки и соответственно плотности минералов.

α минералов – 10^-6 – 10^-4 К^-1

α пород – 10^-6 – 10^-5 К^-1

Коэффициент объёмного теплового расширения γ_т полиминеральной горной породы определяется значениями γ_тi, величинами модулей всестороннего сжатия К_i слагающих её минералов и относительным их объёмным содержанием V_i. Если порода при нагревании не разрушается, то

γ_т = Σ γ_тi К_i V_i /(Σ К_i V_i)