- •Тема №1. Тепло земных недр
- •1.1. Термодинамические параметры земной коры
- •1.2. Источники тепла земных недр
- •1.3. Процессы теплопереноса в недрах Земли
- •1.4. Использование тепла земных недр
- •1.5. Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников
- •Тема №2. Промерзание связных пород при открытой разработке месторождений
- •2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами
- •2.2. Месячные колебания температуры внешней среды
- •2.3. Расчет глубины промерзания связанных пород
- •2.4. Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий
- •2.5. Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия
- •Тема №3. Намораживание пород при строительстве подземных сооружений и шахт
- •3.1. Сущность способа и область его применения
- •3.2. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра
- •3.3. Параметры образования ледопородных ограждений
- •Тема №4. Теплообмен в горных выработках
- •4.1. Требования к тепловому режиму в подземных выработках
- •4.2. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ
- •4.3. Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке
- •4.4. Теплообмен при проветривании подземных выработок
- •4.5. Источники тепла в подземных выработках
- •4.6. Методы нормализации температурного режима рудничного воздуха
- •Тема № 5. Термодинамическое разрушение талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •5.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород
- •5.2. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород
- •5.3. Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород
- •5.4. Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции
- •5.5. Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •Тема №6 . Газодинамические процессы в горных выработках
- •6.1. Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
- •6.2. Путь перемешивания для содержания газа и газовые потки
- •6.3. Коэффициенты диффузии
- •Тема №7. Интегральные газодинамические эффекты в шахтах
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Выработка как объект вентиляции
- •7.3. Ограниченные потоки в системе выработок
1.2. Источники тепла земных недр
Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.
В зависимости от природы процессов, приводящих к выделению тепла в недрах Земли, источники тепла можно подразделить на два типа: первичные и вторичные.
К первичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внеземного происхождения (энергию радиоактивного распада, энергию солнечной радиации, энергию земных приливов, гравитационную энергию). К вторичным источникам относятся те, которые приобразуют в тепло энергию внутриземного происхождения (энергию фазовых и химических превращений, энергию тектонических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные — тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные — относительно кратковременны и маломощны.
Тепло радиоактивного распада называют радиогенным. Оно образуется в результате того, что при распаде происходит излучение α- и β- частиц и γ- фотонов, которые поглощаются окружающими породами и передают им свою энергию. При этом вся их энергия превращается в тепло.
В результате распада ядра радиоактивного элемента из него вылетает радиоактивная α- или β - частица массой mч и скоростью Vч, при этом ядро приобретает некоторую скорость Vя в противоположном направлении. Энергия, образующая в результате радиоактивного распада ядра, будет
(1.6)
где М — масса ядра, кг.
Так как до распада ядро находилось в относительном покое, то, согласно закону сохранения количества движения, можно записать
(1.7)
Откуда
(1.8)
Подставляя значение Vя из выражения (1.8) в (1.6), получим количество тепла, образующегося в результате поглощения каждой а- или β- частицы,
(1.9)
Тепловая энергия, образующаяся за счет поглощения породой γ-фотона,
, (1.10)
где h — постоянная Планка (h = 6,625·10-34, Дж с) ; ν— частота излучения γ- фотона, 1 /с.
Количество тепла, образующегося в единицу времени в результате распада одного грамма радиоактивного вещества, называется удельным радиогенным теплом. Для основных радиоактивных элементов урана, тория и калия оно соответственно равно 9,78·10-5; 26,3·10-6 и 35,5·10-10 Дж/(кг·с).
Все радиоактивные источники выделяют внутри Земли 4·1020÷4·1021Дж ежегодно. Количество тепла, выделившегося в Земле за время ее существования в результате распада радиоактивных элементов, составляет (5,8-20) ·1030 Дж.
Количество тепла, доставляемое на Землю солнечным излучением, можно определить по формуле
, (1.11)
где А — солнечная постоянная, равная 0,138·104 Вт/м ; R3 — радиус Земли, равный 6,371·106 м; τ — время, с.
Учитывая, что в году около 3·107 с, и принимая во внимание, что под воздействием солнечного излучения находится постоянно только половина поверхности Земли, согласно выражению (1.11) можно определить количество тепла, передаваемое Солнцем верхним слоям атмосферы Земли за один год. Оно составляет около 27·1023 Дж/ год. Примерно половина этого тепла поглощается атмосферой и рессеивается в мировое пространство, а вторая половина поглощается на Земле.
Тепло, доставляемое на поверхность Земли солнечным излучением, формирует тепловой режим поверхностного слоя пород, расположенных выше нейтрального слоя. Суточные колебания температуры воздуха оказывают влияние на температурный режим поверхностного слоя Земли толщиной не более 0,5 м, а годовые — не более 20 м.
Выделение тепла в Земле в результате земных приливов обусловлено вертикальным смещением ее поверхности под действием притяжения Солнца и Луны. Такие смещения возможны вследствие того, что Земля не является абсолютно твердым телом, а земная кора разбита на блоки.
Вертикальные смещения поверхности Земли за счет земных приливов и отливов достигают 0,5 м. Количество тепла, выделяющегося в Земле в единицу времени, в результате этого составляет порядка 4·10-26Вт. Суммарное количество тепла, выделившееся в Земле за время ее существования за счет приливов и отливов, составляет примерно 36·10 9Дж.
Гравитационная составляющая первичных источников тепла обусловлена выпадением на Землю мелких частиц и метеоритов и переходом их кинетической энергии в тепловую. Кроме этого, под действием сил гравитации в глубь Земли перемещаются более тяжелые вещества, что также сопровождается выделением тепла. Если предположить, что ядро Земли состоит из железа, которое стекалось к центру, то количество тепла, выделенного при этом, составит около 10·1030 Дж.
Основным вторичным источником тепла является энергия тектонических движений, которая выделяется при землетрясениях в результате трений блоков земной коры друг о друга.
Тепловая энергия, образующаяся в результате фазовых переходов и химических реакций в Земле, вносит свой вклад в формирование теплового режима локальных районов.