Определение параметров термодинамических свойств пород в лабораторных условиях

 

 

Обычно для целей горного производства в лабораторных условиях определяют следующие тепловые параметры горных пород: удельная теплоемкость; коэффициент теплопроводности и коэффициент температуропроводности.

Для этого используют различные лабораторные установки, на которых реализуют метод постоянного или мгновенного источника тепла.

На кафедре горной геомеханики ДонНТУ создан и успешно применяется уникальный прибор для определения вышеприведенных тепловых параметров горных пород методом мгновенного источника тепла (рисунки 8.1 и 8.2).

Рисунок 8.1 – Общий вид прибора ДонНТУ для определения тепловых свойств горных пород: 1 – нагреватель, 2 – образец породы, 3 – датчик тепла, 4 – дисплей, 5 – кнопка включения прибора, 6 – кнопка опроса датчиков

 

Рисунок 8.2 – Структурная схема прибора ДонНТУ для определения тепловых свойств горных пород: 1 – нагреватель, 2 – образец породы, 3 – датчик тепла, 4 – блок управления током нагревателя, 5 – процессор, 6 – дисплей, 7 – вторичный источник питания, 8 – первичный источник питания

 

В качестве образцов используются диски со шлифованными поверхностями, изготовленные из кернов горных пород.

В процессе опыта, зная геометрические размеры образцов и их плотность, измеряют: длительность и величину теплового импульса; время, за которое температура «холодной» поверхности образца достигла максимума; максимальную температуру «холодной» поверхности образца.

 

 

Использование тепловых свойств и явлений в горном деле

 

 

Для бурения скважин по весьма прочным породам на применяют метод огневого бурения с использованием чаще всего бензовоздушных горелок в качестве термобуров.

Скорость такого бурения зависит от тепловых свойств горной породы, которые отражаются в виде критерия термобуримости породы (П_ТБ), соответствующему объему породы, разрушенной при воздействии на неё 1 Дж тепла.

 

(8.7)

 

 

Для горных пород вообще П_ТБ = 2·10^-8 ¸ 5·10^-6 м³/Дж. Чем меньше величина П_ТБ, тем хуже порода поддается термобурению.

Большое значение имеет знание тепловых свойств горных пород в расчетах тепловых режимов шахт. Например, установлено, что коэффициент теплопередачи, характеризующий процесс передачи тепла из горного массива в горную выработку может быть рассчитан для незакрепленной выработки по формуле

 

, (8.8)

 

где e_ш = 1 ¸ 3 – коэффициент, учитывающий шероховатости породного обнажения;

G – расход воздуха в выработке;

П, – периметр выработки;

S, – площадь поперечного сечения выработки.

Для закрепленной выработки

 

, (8.9)

 

где – толщина крепи;

l_к – коэффициент теплопроводности крепи.

Глубин промерзания рыхлых и связных пород зависит от времени и коэффициент температуропроводности породы

 

(8.10)

 

При подземной выплавке серы количество тепла для выплавления серы из единицы объема руды зависит от температуры плавления серы (T_с = 119 ^оС), удельной теплоты плавления серы (L»49 кДж/кг), удельной теплоемкости серы (с_с = 0,67 ¸ 1,86 кДж/кг град) и рассчитывается по формуле

, (8.11)

 

где g_с – объемный вес серы;

Т₀ – температура массива.

При подземной газификации угля для создание канала горения между скважинами используют явление теплового электрического пробоя. Для этого в скважины опускают электроды и создают между ними электрическое напряжение. Величина этого напряжения зависит от коэффициента теплопроводности угля.

Кроме того, тепловые свойства горных пород необходимы для расчетов процессов сушки горной массы, термообработки брикетов, агломерации, обжига руд и т.п.

 

 

Контрольные вопросы

 

 

1. Какова величина геотермической ступени для Донбасса?

2. Перечислите и дайте определения базовым параметрам тепловых свойств горных пород.

3. Какие методы применяют для определения параметров тепловых свойств горных пород в лабораторных условиях?

4. Укажите процессы горного дела, которые зависят от параметров тепловых свойств горных пород.

Гидравлические свойства пород