Термические напряжения в горных породах

Таблица 3- 1-Анизотропия теплопроводности пород

Теплопроводность пористых пород является сложной функцией всех их составляющих фаз – жидкой, газообразной и твердой.

Таблица 3-2-Тепловые свойства фаз, входящих в состав породы

Фаза	Коэффициент теплопроводности λ = q/gradT Вт/(мК)	Удельная теплоемкость,кДж/(кгК)
Лед	2.33	2,09
Вода	0,58	4,18
Воздух	0,023	1,00

Передача тепла в пористых породах может происходить как путем теплопроводности, так и путем конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи). Однако если размеры пор по сравнению с исследуемым объектом малы, то явление конвекции можно не учитывать. Например , доля конвективного теплового потока в порах с радиусом 3 мм составляет 0,13% от общего теплового потока. Можно не учитывать явление передачи тепла излучением, если температура нагрева породы не превышает 1000К.

В трещиноватых породах теплопроводность существенно снижается при расположении трещин перпендикулярно тепловому потоку. Существенен также состав газов, заполняющих поры. Водород обладает теплопроводностью в 7 раз большей, чем воздух, поэтому и теплопроводность пород, содержащих водород больше при одинаковой пористости.

Способность пород изменять свои размеры при изменении температуры характеризуется коэффициентом линейного (α) или объемного расширения (γ_Т) расширения.

Коэффициент объемного расширения (γ_Т) горной породы определяется значениямиγ_Тi, величинами модулей всестороннего сжатия К_i слагающих минералов и относительным их объемным содержанием V_i. Если порода при нагревании не разрушается, то

3-15

Для горных пород коэффициент линейного расширения с точностью до бесконечно малых величин γ_Т = 3. Кристаллы и слоистые породы являются анизотропными в отношении теплового расширения, т.к. имеют различное тепловое расширение в разных направлениях, т.е.

Тепловые свойства горных пород определяются методами стационарных и нестационарных потоков. Установлено влияние химического состава пород на их тепловое линейное расширение. Пористость, трещиноватость, пустоты в горной породе приводят к снижению коэффициента теплового расширения.

Зависимость коэффициента теплового расширения от пористости имеет вид:

3-16

где γ_Т.0 – коэффициент объемного теплового расширения минеральной фазы породы.

Термические напряжения в горных породах возникают за счет неоднородного нагрева или различия в значениях коэффициента теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов.

В качестве примера. Представим стержень длиной , свободное расширение которого невозможно, то при его нагреве до температуры Т, при этом температура всего стержня изменится на ΔТ, в этом стержне возникнут термические напряжения σ_Т, равные напряжениям, необходимым для сжатия удлинившегося стержня до первоначальных размеров, т.е.

3-17

Ε – модуль деформации;

α – коэффициент теплового расширения.

Аналогично можно рассчитать термические напряжения в некотором объеме породы, находящемся в массиве, когда возможности расширяться отсутствуют:

3-18

γ_Т – коэффициент объемного теплового расширения.

В этом случае нагреваемый объем испытывает напряжения сжатия, в то время как окружающие его объемы в зависимости от их расположения испытывают напряжения сжатия и растяжения.

В связи с тем, что термические напряжения зависят от модуля линейной (или объемной) деформации и линейного (или объемного) коэффициента теплового расширения, их зависимость от внутренних факторов обусловлена зависимость модулей упругости от этих факторов. Например, с увеличением пористости пород термические напряжения уменьшаются. Если весь образец породы нагреть равномерно, то в нем возможны внутренние, межзеренные термонапряжения, обусловленные различием в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных минеральных зерен.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 731; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!