5.4. Теплофизические, электрические, магнитные и радиационные свойства

Т е п л о е м к о с т ь представляет собой количество тепла, расходуемое на увеличение температуры породы па 1°С. Ее определяют путем сравнения скорости охлаждения двух материалов (образца и металла цилиндра) в лабораторных условиях. Для этого на образец изучаемой породы надевают тонкостенный металлический цилиндр.

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и — это количество тепла в Джоулях, необходимое для изменения температуры на 1°С объема породы в 1 м³ (сечением 1 м² и высотой 1 м) в течение 1 ч. Определяется по данным термокаротажа скважин, или в лабораторных условиях по скорости охлаждения. В практике чаще используют величину, обратную этому коэффициенту, и называют ее удельным тепловым сопротивлением, которым характеризуют сопротивление пород передаче тепла.

К о э ф ф и ц и е н т т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т и (в м²/с) характеризует скорость изменения температуры в породе. Oн представляет собой отношение коэффициента теплопроводности к произведению удельной теплоемкости на плотность породы при постоянном давлении. Используется для изучения поведения горных пород при нестационарных тепловых процессах.

Ко э ф ф и ц и е н т ы л и н е й н о г о и о б ъ е м н о г о т е п л о в о г о р а с ш и р е н и я пород — основные теплофизические характеристики. Они служат для оценки способности пород трансформировать тепловую энергию в механическую.

Теплофизические свойства пород зависят от их состава, влажности, плотности. Некоторые данные о них приведены в таблице 5.2.

Теплофизические свойства некоторых горных пород

(по В.Н. Дакцову и Д.И. Дьяконову)

Таблица 5.2

Наименование пород	Удельная теплоемкость, кДж/кг	Коэффициент теплопроводности, Вт/м	Коэффициент температуропроводности, м2/ч
Гранит Диорит Диабаз Габбро Мрамор Песчаник плотный Известняк Глинистый сланец Глина Песок сухой Песок влажный	0,34—0,79 0,70 0,70 0,70 0,80 0,81 0,67—1,04 0,75 - 0,80 -	2,4 - 3,65 2,2—2,4 2,2 1,97 3,0-3,7 1,28-3,0 0,81-2,2 1,5—2,2 1,0 0,39 3,4	2200 - 2700 4400 3900 2800 - 4800 5500 5000 1800 -4330 3500 - - -

Электрические свойства горных пород используются при изучении место-рождений полезных ископаемых геофизическими методами, при выделении зон распространения многолетнемерзлых пород, для изучения процессов промерзания и оттаивания в песчано-глинистых породах и т. д. Наибольшее распространение в инженерной геологии получило изучение электропроводности горных пород как способности их пропускать электрический ток.

Показатель электропроводности — у д е л ь н о е э л е к т р и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е (в Ом-м) - электрическое сопротивление образца породы кубической формы с сечением в 1 м² и высотой 1 м. Величина, обратная этому показателю, называется проводимостью. Определение электрического сопротивления пород производится по результатам каротажа буровых скважин или в лабораторных условиях двух- и четырехэлектродным методом. Пропуская через образец ток силой I и наблюдая за падением напряжения ∆U между двумя эквипотенциальными сечениями, расположенными в средней части опытного образца, определяют удельное сопротивление по формуле:

R_уд = К * ∆U / I

где К =πd²/4 l для образца цилиндрической формы и К = а b / l для призматического образца; l —расстояние между центрами электродов; d—диаметр цилиндрического образца; а и b — размеры сторон сечения призматического образца.

Удельное электрическое сопротивление изменяется в широких пределах для пород одного литологического состава и зависит от влажности, плотности, концентрации и состава порового раствора, температуры и т. д. Так, для глин оно составляет 0,5 - 10, для водонасыщенного песка – 10 - 100, а для песчаника и известняка от 30-50 до 10⁵ Ом∙м. Магматические и метаморфические породы обладают еще более высоким сопротивлением.

Магнитные свойства пород оцениваются показателем относительной магнитной проницаемости , которая представляет собой отношение абсолютной магнитной проницаемости _а и магнитной постоянной ₀, т. е.

 = _а /_0,

где ц_а — В/и; В — магнитная индукция поля; и—напряженность поля; в вакууме _а = ₀ = 4π 10^-7 г/м.

Все породы обладают магнитными свойствами, которые обусловливаются наличием парамагнетиков (минералов, у которых атомы обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля) и ферромагнитных соединений (магнетит, пирротин, гематит и др.).

Радиационные свойства горных пород оцениваются величиной удельной радиоактивности, которая представляем собой количество распадающихся в одну секунду атомов в 1 кг вещества. Ее определяют по интенсивности излучения горных пород с помощью радиометров, сцинтилляционных анализаторов и других специальных приборов.

Естественная радиоактивность пород связана с наличием в них минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран, радий, торий) или радиоактивные изотопы калия, кальция, вольфрама и др.

Изучение радиоактивности в горном деле применяется для определения границ радиоактивных рудных тел, для сортировки урановых руд, калийных солей, для обогащения угля (выборка пустой породы).