Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы

Показатели тепловых свойств компонентов, заполняющих поры
Компонент
Коэффициент теплопроводности 
O
т
, Вт/(м · К)
Удельная теплоемкость, 
кДж/(кг · К) 
Лед
Вода
Воздух
2,33
0,55–0,60
0,024–0,026
2,09/2,09*
4,22/4,22
1,00/0,72
*
В числителе дроби указана изобарная, в знаменателе — изохорная удель-
ная теплоемкость.
Примечание. Удельная теплоемкость измерена при t = 0 
qС, Р = 1 атм. 
Так как коэффициент теплопроводности воздуха очень мал, то 
O
т
сухих пористых пород всегда ниже 
O
т
непористых пород. Так, 
коэффициент теплопроводности сухого песка в 6–7 раз меньше 
O
т 
прочного песчаника.
 Температуропроводность характеризует скорость распро-
странения изотермической поверхности в породе и представляет 
собой частное от деления коэффициента теплопроводности на объ-
емную теплоемкость.
В среднем температуропроводность горных пород 
D | 10
–7
–
10
–6
м
2
/с. С увеличением пористости пород их температуропро-
водность снижается. Связь между повышением температуры и уд-
линением образца породы характеризует коэффициент линейного 
теплового расширения 
D
т
:
D
т
 =
'l
,
(2.27)
l
'T
где l — первоначальная длина образца, м; 
'l — изменение длины об-
разца, м; 
'T — изменение температуры, К.

---

102 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
Для большинства минералов 
D
т
| 10
–6
–10
–4
К
–1
, для пород 
D
т
| 10
–6
–10
–5
К
–1
. Для андезитов и диоритов 
D
т
| (5–9)
˜10
–6
К
–1
, 
для габбро и диабазов 
D
т
| (4,5–6,5)
˜10
–6
К
–1
.
Связь между повышением температуры и увеличением объема 
породы характеризуется коэффициентом объемного теплового рас-
ширения 
J
т
:
J
т
 =
'V
,
(2.28)
V
'T
где V — первоначальный объем образца, м
3
; 
'V — изменение объема 
образца, м
3
.
В среднем 
J
т 
| 3
D
т
: для кварцитов 
J
т 
= 1,1 · 10
–5
К
–1
, для гранитов 
J
т 
= 0,8·10
–5
К
–1
. Однако для многих кристаллов и слоистых пород 
J
т 
z 3
D
т
: у диопсида 
J
т 
| 1,5
D
т
, у роговой обманки 
J
т 
| 2,5
D
т
.
Для пористых горных пород
J
т
= 
J
тск
—
1 – 0,01П ,
(2.29)
где 
J
тск 
— коэффициент объемного теплового расширения скелета 
породы, К
–1
; П — пористость породы.
Термические напряжения в горных породах возникают либо 
за счет неоднородного нагрева породы, либо из-за различия в зна-
чениях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств 
слагающих породу компонентов. Если объем нагреваемой породы 
может изменять линейные размеры, то 
V
т
 = 
V
т
'T 
Е
о
Е
н
,
(2.30)
Е
о
+ Е
н
если возможности расширения нет, тогда
V
т
 = 
J
т
'T
K
о
K
н
,
(2.31)
K
о
+ K
н
где 
V
т
— термическое напряжение в горной породе, Па; Е
о
, Е
н
— мо-
дуль Юнга соответственно ненагретой и нагретой породы, Па; K
о
, 
K
н
— модуль объемного сжатия соответственно ненагретой и нагре-
той породы, Па. 
При воздействии теплового потока на породу наблюдаются 
следующие эффекты:
‰
высушивание породы;
‰
изменение агрегатного состояния;
‰
полиморфные превращения минералов;

---

2. Физико-механические и технологические свойства горных пород 
103
‰
дегидратация — удаление химически связанной воды;
‰
диссоциация — разрушение минералов с выделением газов;
‰
окислительно-восстановительные процессы.
Значения температуры и теплоты, при которых происходят те 
или иные превращения, являются физическими характеристиками 
минералов и горных пород (табл. 2.14–2.17).
Таблица 2.14