Разделы презентаций
- Разное
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
Физика горных пород
Содержание
- 1. Физика горных пород
- 2. Гидравлические и газодинамические свойства вмещающих пород приобретают
- 3. Упрочнение пород также связано с гидравлическими свойствами
- 4. Схема создания набрызгбетонной крепи
- 5. Борьба с пучением способом АРПУ
- 6. Породонесущая крепь «Монолит»
- 7. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Современные рудники достигли
- 8. Шахта «Тау-Тона», глубина 5000 мШахта «Витватеерсранд», глубина
- 9. Шахта «Шахтёрская — Глубокая», глубина 1546 мШахта
- 10. Шахта «Прогресс», глубина 1340 мУгледобывающее предприятие в городе ТорезШахта им. Скочинского, глубина 1200 м
- 11. Шахта им. В.М. Бажанова, глубина 1200 мугледобывающее
- 12. «Черемуховская-Глубокая» Североуральский бокситовый рудник (СУБР). «Черемуховская-Глубокая» стала
- 13. Высокая температура горных пород предъявляет специальные требования
- 14. В районах вечной мерзлоты температура горных пород
- 15. В промышленности нашел применение термический способ разрушения
- 16. Термическое бурениеТермическое бурение - способ бурения выполняемый
- 17. Схема этапов замерзания ледопородного ограждения
- 18. Определение теплофизических свойств минералов и пород имеет
- 19. Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими параметрами:Теплоемкость горных породТеплопроводностьТемпературное расширение
- 20. Поглощение породами тепла сопровождается повышением кинетической энергии
- 21. где dQ – количество теплоты переходящее во
- 22. Величина С, отнесенная к единице массы нагреваемого
- 23. Следовательно, удельная теплоемкость — это количество тепла,
- 24. Удельная теплоемкость различных горных пород находится в
- 25. В твердых телах обмен кинетической энергией происходит:1. за счет столкновения электронов 2. передачей колебаний кристаллической решеткой.
- 26. Первый тип теплопроводности называется электронным. Он характерен
- 27. Второй тип теплопроводности, характерный для горных пород,
- 28. где ђ – постоянная Планка (1,0546∙10-34 Дж∙с);
- 29. Первым законом, теоретически определившим теплоемкость твердых тел,
- 30. Однако опыт показывает, что:1. При высоких температурах
- 31. Первое объяснение зависимости теплоемкости твердых тел от
- 32. Недостаток этой теории был учтен в теории
- 33. где R - газовая постоянная; Θ -
- 34. Сравнение температурных зависимостей удельной теплоёмкости, полученных Эйнштейном
- 35. Этот закон показал, что «при очень низких
- 36. Однако, для горных пород эти закономерности сохраняются
- 37. Удельная теплоемкость породы полностью зависит от ее
- 38. температуры (с увеличением температуры увеличивается);пористости (удельная теплоемкость
- 39. Так как теплоемкость воды ( 2 кДж/кг∙К
- 40. Теплопроводность горных пород Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена
- 41. Теплопроводность
- 42. Теплопроводность горных пород ΔQ=Q1-Q2 T1>T2
- 43. Если рассмотреть прямоугольный образец породы, имеющий две
- 44. где λ - коэффициент теплопроводности горной породы;ΔT=
- 45. Отношение ΔQ/( ΔS dt) = q –
- 46. Эта формула выражает макроскопическую теплопроводность.
- 47. где, cv – удельная теплоемкость при постоянном
- 48. Величина свободного пробега фонона, является тем фактором,
- 49. Коэффициент теплопроводности горных пород (λ) меняется в
- 50. Слайд 50
- 51. С повышением температуры теплопроводность снижается в связи
- 52. Теплопроводность породы определяется способностью минералов, из которых
- 53. Теплопроводность горных пород зависит от:Минерального состава;Плотности; Структуры; Пористости; Влажности; Температуры; Давления.
- 54. Теплопроводность пористых пород зависит от объема, формы
- 55. Если тепло переходит через какую-то граничную поверхность
- 56. При переходе тепла из одной среды в
- 57. Если горная порода обладает более высокой температурой,
- 58. Температуропроводность породКоэффициент температуропроводности - а (м2/час) характеризует
- 59. Величина температуропроводности горных пород меняется в пределах
- 60. Тепловое расширение породВсе знают, что при нагревании
- 61. Слайд 61
- 62. Потенциальная кривая энергии взаимодействия всегда ассиметрична: в
- 63. Такая форма кривой отражает два факта: два
- 64. На потенциальной кривой можно отметить крайние расстояния,
- 65. Слайд 65
- 66. Если рассматривать цепочку частиц, выделенных вдоль тела,
- 67. Связь между повышением температуры dT и расширением
- 68. Аналогичная формула описывает объемное расширение пород.где ω - коэффициент теплового объемного расширения;V - первоначальный объем образца.
- 69. Коэффициенты линейного и объемного теплового расширения пород
- 70. Кристаллы и слоистые горные породы анизотропны в
- 71. Тепловое расширение зависит от:температуры (увеличивается);влажности (несколько увеличивается);пористости (уменьшается);давления (уменьшается);минерального состава.
- 72. Все рассмотренные выше тепловые параметры не связаны
- 73. ТЕПЛОВЫЕ. СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОДОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫУДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ сКОЭФФИЦИЕНТ
- 74. Скачать презентанцию
Гидравлические и газодинамические свойства вмещающих пород приобретают решающую роль при разработке нефтяных и газовых скважин.Нашло применение на шахтах ослабление угольного массива нагнетанием воды в пласт под давлением. В этом случае усиливается
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1Физика горных пород
Лекция 8 – Тепловые свойства горных пород
Лектор:
Шульгин Павел Николаевич
Слайд 2Гидравлические и газодинамические свойства вмещающих пород приобретают решающую роль при
разработке нефтяных и газовых скважин.
Нашло применение на шахтах ослабление угольного
массива нагнетанием воды в пласт под давлением. В этом случае усиливается влияние некоторых гидравлических свойств - водопроницаемости, смачиваемости, влагоемкости, размокаемости углей.
Слайд 3Упрочнение пород также связано с гидравлическими свойствами горных пород. В
этом случае нагнетают различные растворы: цемент, гидрогель кремневой кислоты, битум,
смолы и др. Частички скрепляющего вещества, проникая в поры горной породы, закупоривают их, цементируя воедино зерна и повышая общую прочность породы, снижая при этом водопроницаемость.
Слайд 7ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Современные рудники достигли глубин около 3-3,5
км (Южная Африка, Индия), а их владельцы считают возможным продолжать
горные работы на глубине до 5000 м.Глубина горных работ на шахтах Донбасса достигла 1300 м. Геотермическая ступень для этого угольного месторождения равна 38 м/град.К., что приводит к повышению температуры пород.
Поэтому, тепловые свойства горных пород имеют большое значение в горном деле.
Слайд 8Шахта «Тау-Тона», глубина 5000 м
Шахта «Витватеерсранд», глубина более 4500 м
Таутона
расположена в 50 км к юго-западу от Йоханнесбурга, между городами
Вестонария и Фандербейлпарк. Название Таутона (Тау-Тона) на языке суто означает «великий лев». Работает более 35 000 человек
Слайд 9Шахта «Шахтёрская — Глубокая», глубина 1546 м
Шахта «Гвардейская», глубина 1430
м
Шахта по добыче железной руды в городе Кривом Роге
Слайд 10Шахта «Прогресс», глубина 1340 м
Угледобывающее предприятие в городе Торез
Шахта им.
Скочинского, глубина 1200 м
Слайд 11Шахта им. В.М. Бажанова, глубина 1200 м
угледобывающее предприятие в г.
Макеевка
Шахта «Комсомольская» , глубина 1200 м
Сегодня шахта работает на глубинах порядка
1100 метров и является самой глубокой шахтой России.
Слайд 12«Черемуховская-Глубокая» Североуральский бокситовый рудник (СУБР).
«Черемуховская-Глубокая» стала самой глубокой в
России (1550 метров) и вошла в пятерку наиболее глубоких шахт
мира.
Слайд 13Высокая температура горных пород предъявляет специальные требования к проветриванию пройденных
в них горных выработок.
Прочность горных пород с повышением температуры,
как правило, снижается; повышается частота проявления горных ударов и внезапных выбросов. 
Слайд 14В районах вечной мерзлоты температура горных пород ниже нуля.
Отрицательная
температура горных пород не позволяет эффективно бурить шпуры и скважины
с промывкой водой.Имеется опасность смерзания полезного ископаемого при транспортировке и в бункерах.
А повышение температуры пород может привести к опасному снижению их прочности.
Слайд 15В промышленности нашел применение термический способ разрушения горных пород газовыми
горелками с температурой газовой струи до 3000°С. Тепловые свойства горных
пород в этом случае оказывают решающее влияние на эффективность процесса разрушения массива пород.При строительстве горных выработок в горных породах насыщенных водой часто применяется искусственное замораживание таких пород.
Слайд 16Термическое бурение
Термическое бурение - способ бурения выполняемый с помощью специальной
огнеструйной горелки. На забое скважины с помощью высокотемпературных газовых струй
выходящих со сверхзвуковой скоростью из сопел горелки, в результате сложного взаимодействия раскалённых струй и воды с разрушаемой породой происходит бурение.
Слайд 18Определение теплофизических свойств минералов и пород имеет и большое прикладное
значение в связи с расширением масштабов воздействия человека на земную
кору. Так, с увеличением глубин разрабатываемых месторождений воздух в горных выработках нагревается выше допустимых пределов. А в районах вечной мерзлоты строительные, горные, буровые работы осложняются специфическими особенностями поведения пород при отрицательных температурах, что потребовало их детального изучения и разработки специальных технологий.
Слайд 19Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими параметрами:
Теплоемкость горных пород
Теплопроводность
Температурное расширение
Слайд 20Поглощение породами тепла сопровождается повышением кинетической энергии колеблющихся в них
атомов и молекул.
Это приводит к изменению температуры породы.
При этом
наблюдается прямо пропорциональная зависимость между количеством теплоты поглощаемой породой и приростом температуры. Теплоемкость горных пород
Слайд 21где dQ – количество теплоты переходящее во внутреннюю энергию тела,
Дж;
dT – изменение температуры породы, град. К;
С –
теплоемкость породы (показатель, характеризующий изменение тепловой энергии при изменении температуры на один градус Кельвина).
Слайд 22Величина С, отнесенная к единице массы нагреваемого объема породы, называется
удельной теплоемкостью породы и выражается в Дж/(кг∙К).
Определяется по формуле:
Слайд 23Следовательно, удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для нагревания
единицы массы породы (1 кг) на 1 град.
Единицей удельной
теплоемкости является Дж/(кг∙К). Теплоемкость характеризует способность пород поглощать тепловую энергию. Она имеет существенное значение для разрушения пород при тепловом воздействии (термическом бурении, комбинированных термомеханических способах разрушения горных пород), при решении вопросов, связанных с высокими температурами в горных выработках и на забое глубоких и сверхглубоких скважин, а также при расчетах технологических параметров обогащения и переработки горно-металлургического сырья.
Слайд 24Удельная теплоемкость различных горных пород находится в относительно узком интервале.
Для большинства пород этот интервал равен 0,4...2 кДж/(кг∙К);
для металлов
— 0,125 (золото, свинец), ... 0,46 кДж/(кг∙К) (железо). Соответственно рудные минералы имеют низкую теплоемкость, а рудосодержащие породы — пониженную по сравнению с безрудными.
Слайд 25В твердых телах обмен кинетической энергией происходит:
1. за счет столкновения
электронов
2. передачей колебаний кристаллической решеткой.
Слайд 26Первый тип теплопроводности называется электронным.
Он характерен для сред имеющих
электронную проводимость – металлов и полупроводников.
Слайд 27Второй тип теплопроводности, характерный для горных пород, можно представить как
вид упругих колебаний частиц кристаллической решетки.
Эти колебания, согласно квантовой
теории, могут быть представлены фононами, по аналогии с фотонами для электромагнитного поля.
Слайд 28где ђ – постоянная Планка (1,0546∙10-34 Дж∙с);
f – частота
тепловых колебаний.
Поэтому, этот тип теплопроводности называют фононным. Каждый фонон,
обладает энергией равной:
Слайд 29Первым законом, теоретически определившим теплоемкость твердых тел, был закон Дюлонга
и Пти. По этому закону теплоемкость всех твердых тел должна
быть одинаковой и составлять около 6 калл/ град моль.Закон Дюлонга — Пти (Закон Дюлонга и Пти, Закон постоянства теплоёмкости) — согласно которому молярная теплоёмкость твёрдых тел при комнатной температуре близка к 3R, где R — универсальная газовая постоянная.
Пьер Луи Дюлонг
Алексис Терез
Пти (Petit),
Слайд 30Однако опыт показывает, что:
1. При высоких температурах теплоемкость твердых тел
медленно возрастает с ростом температуры;
2. Теплоемкость резко падает при низких
температурах и стремится к нулю, когда температура твердого тела стремится к абсолютному нулю.
Слайд 31Первое объяснение зависимости теплоемкости твердых тел от температуры было предложено
Эйнштейном (1907 г.).
Он впервые создал квантовую теорию теплоемкости твердого
тела. Однако и его теория
давала результат отличавшийся
от экспериментальных данных.
Альбе́рт Эйнште́йн (нем. Albert Einstein)
Слайд 32Недостаток этой теории был учтен в теории теплоемкости твердого тела,
предложенной Дебаем.
В теории Дебая утверждается, что тепловые колебания в
твердом теле обладают дискретным спектром частот. На основании этих
предпосылок Дебай
получил закон,
который хорошо
подтверждается
экспериментально.
Петер Йозеф Вильгельм Дебай
Слайд 33где R - газовая постоянная;
Θ - характеристическая температура, соответствующая
максимальной частоте тепловых колебаний в твердом теле.
Слайд 34Сравнение температурных зависимостей удельной теплоёмкости, полученных Эйнштейном и Дебаем. Видно,
что в области высоких температур теплоёмкость выходит на постоянное значение,
даваемое законом Дюлонга — Пти.
Слайд 35Этот закон показал, что «при очень низких температурах теплоемкость всех
твердых тел пропорциональна кубу абсолютной температуры».
А в области положительных
температур теоретические и экспериментальные данные, также имеют хорошую сходимость. 
Слайд 36Однако, для горных пород эти закономерности сохраняются не всегда.
Аномалии
зависимости теплоемкости от температуры характерны для каменного угля, глин и
других пород, способных существенно изменять свойства при воздействии тепла.
Слайд 37Удельная теплоемкость породы полностью зависит от ее минерального состава. Она
может быть рассчитана по формуле арифметического средневзвешенного:
где mi - относительное
массовое содержание минерала с удельной теплоемкостью сi.
Слайд 38температуры (с увеличением температуры увеличивается);
пористости (удельная теплоемкость не меняется, а
объемная - уменьшается с увеличением пористости);
влажности (с увеличением влажности теплоемкость
увеличивается).Теплоемкость горных пород зависит от:
Слайд 39Так как теплоемкость воды ( 2 кДж/кг∙К ), значительно превышает
теплоемкость любого минерала, то теплоемкость пористых, насыщенных водой пород больше
чем сухих.Удельная теплоёмкость пород возрастает с повышением температуры, что обусловлено ростом частоты колебаний. Это повышение происходит до определённой температуры (температура Дебая).
Слайд 43Если рассмотреть прямоугольный образец породы, имеющий две противоположные плоскости с
температурой соответственно T1 и T2 ,
причем T1>T2 ,
то
количество тепла ΔQ=Q1-Q2 , переходящего из одной плоскости к другой через площадку ΔS за время dt будет равно:
Слайд 44где λ - коэффициент теплопроводности горной породы;
ΔT= T1-T2 - разность
температур плоскостей;
ΔX - расстояние между плоскостями выделенного объема породы.
Отношение ΔT/
ΔX=grad T - называется градиентом температуры и выражает скорость изменения температуры на единице длины вдоль оси X.
Слайд 45Отношение ΔQ/( ΔS dt) = q – это удельный тепловой
поток, который выражает количество тепла, проходящего в единицу времени через
единицу площади.Коэффициент теплопроводности пород λ, Вт/(м К) - это количество тепла, проходящего через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры равном единице.
Слайд 47где, cv – удельная теплоемкость при постоянном объеме;
v – средняя
скорость распространения упругих волн в породе;
l – длина свободного пробега
фононов;ρ – плотность породы.
Рассматривая процесс передачи тепла на микроскопическом уровне (фононном), можно определить теплопроводность следующим образом:
Слайд 48Величина свободного пробега фонона, является тем фактором, который препятствует быстрому
распространению тепла в породе.
Для кристаллов каменной соли l=30∙10-8 см, для
кварца l=60∙10-8 см.
Слайд 49Коэффициент теплопроводности горных пород (λ) меняется в пределах 0,7-7 Вт/мК.
У кварца он равен 12, а у алмаза 200.
Коэффициент теплопроводности
глинистых, насыщенных водой пород в 6-8 раз больше, чем сухих.
Слайд 51С повышением температуры теплопроводность снижается в связи с уменьшением длины
свободного пробега фононов.
При температуре 1200°С коэффициент теплопроводности почти всех
пород находится в пределах 1,1-2,3 Вт/мК.
Слайд 52Теплопроводность породы определяется способностью минералов, из которых она состоит, проводить
тепло.
Необходимо учитывать как расположены минералы относительно направления распространения тепла –
последовательно,
параллельно или
хаотически.
Слайд 53Теплопроводность горных пород зависит от:
Минерального состава;
Плотности;
Структуры;
Пористости;
Влажности;
Температуры;
Давления.
Слайд 54Теплопроводность пористых пород зависит от объема, формы пор и фазового
состояния заполнителя (газ, жидкость).
С увеличением пористости она уменьшается.
С увеличением температуры у большинства горных пород теплопроводность снижается, что объясняется хаотичностью движения молекул в кристаллической решетке, что уменьшает длину свободного пробега фонона.
Понижение температуры увеличивает теплопроводность пород.
Слайд 55Если тепло переходит через какую-то граничную поверхность из одной породы
в другую, имеющей отличные от первой тепловые свойства, то такой
процесс называется теплопередачей.Теплопроводность можно считать частным случаем теплопередачи, когда тепловые свойства на границе одинаковы: количество тепла, прошедшего из одного тела в другое определяется формулой:
Слайд 56При переходе тепла из одной среды в другую наблюдается скачек
температур.
Теплопередача происходит при распространении теплового потока перпендикулярно слоистости и трещиноватости
пород, на контактах вмещающих пород и полезных ископаемых и т.д. Теплопередача может осуществляться между жидкостями, газами и породой.
Слайд 57Если горная порода обладает более высокой температурой, чем соприкасающаяся с
ней внешняя среда, то явление теплопередачи называют теплоотдачей.
Вт/м2 КТеплоотдача горных пород имеет большое значение для расчета теплового режима шахт при повышенной температуре горных пород, а также при замораживании пород и контактном плавлении полезных ископаемых.
Слайд 58Температуропроводность пород
Коэффициент температуропроводности - а (м2/час) характеризует скорость изменения температуры
горной породы вследствие поглощения иди отдачи тепла.
Температуропроводность - параметр, зависящий
от значений коэффициентов теплопроводности, теплоемкости и плотности пород (λ, с, ρ0).
Слайд 59Величина температуропроводности горных пород меняется в пределах 10-6…10-7 м2/с.
и зависит от строения породы.
Пористость и слоистость пород
приводит к снижению температуропроводности.С увеличением плотности породы температуропроводность незначительно уменьшается.
С повышением температуры, она так же уменьшается.
Слайд 60Тепловое расширение пород
Все знают, что при нагревании тела расширяются.
Причина
теплового расширения тел кроется в форме кривой потенциальной энергии взаимодействия
атомов (молекул).
Слайд 62Потенциальная кривая энергии взаимодействия всегда ассиметрична:
в сторону уменьшения расстояния
она круто идет вверх;
в сторону увеличения расстояния у потенциальной
ямы должен существовать борт. 
Слайд 63Такая форма кривой отражает два факта:
два атома могут быть
сближены на ограниченное расстояние;
отдалению атомов предела нет. При больших расстояниях
произойдет разрыв связи между атомами (молекулами) и образуется дефект кристаллической решетки. 
Слайд 64На потенциальной кривой можно отметить крайние расстояния, до которых будут
доходить колеблющиеся атомы. Среднее положение атома r1 соответствует средине этого
отрезка.При увеличении температуры от Т1 до Т2 энергия частицы возрастает и она перейдет на другой энергетический уровень.
Так как потенциальная кривая ассиметрична, то среднее положение атома сдвинется вправо до r2 , т. е. увеличится.
В этом заключается причина теплового расширения.
Слайд 66Если рассматривать цепочку частиц, выделенных вдоль тела, то смещения всех
частиц в сумме дадут общее удлинение тела при его нагревании.
Слайд 67Связь между повышением температуры dT и расширением породы dL определяется
уравнением:
где L - первоначальная длина образца;
β - коэффициент теплового линейного
расширения (град-1), характеризующий способность горной породы изменять свои линейные размеры при изменении температуры.
Слайд 68Аналогичная формула описывает объемное расширение пород.
где
ω - коэффициент теплового
объемного расширения;
V - первоначальный объем образца.
Слайд 69Коэффициенты линейного и объемного теплового расширения пород являются важными тепловыми
характеристиками пород, обуславливающими способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую.
Высокими
значениями β обладают сера, каменная соль, слюда флюорит, кварц.
Слайд 70Кристаллы и слоистые горные породы анизотропны в отношении теплового расширения.
Так, например, кварц в одном направлении расширяется вдвое больше, чем
в двух других направлениях, а монокристалл кальцита удлиняется только в одном направлении, а в остальных направлениях сокращается.
Слайд 71Тепловое расширение зависит от:
температуры (увеличивается);
влажности (несколько увеличивается);
пористости (уменьшается);
давления (уменьшается);
минерального состава.
Слайд 72Все рассмотренные выше тепловые параметры не связаны с фазовыми изменениями
пород.
В то же время повышение температуры пород приводит и
к полиморфным превращениям минералов - плавлению, испарению и т.д.
Слайд 73ТЕПЛОВЫЕ. СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ с
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
УДЕЛЬНОЕ ТЕПЛОВОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ а
1,5. 10 с 3. 103 кДж/м3.К
С =
0,4-2 кДж/кг .К. 
