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/м²с 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_ои 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 сланцаλ = 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 температуропроводностихарактеризует 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^-6до 10^-7м²/с.

Коэффициент теплопередачихарактеризует 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 породхарактеризуют 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^-6до 1010^-41/град. Например: для песчаника α = (0,51,2) 10^-51/град; для известняка (0,50,89) 10^-51/град; для сланца~ 0,9 10^-51/град.

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