Введение к работе
Актуальность работы. Тепловые свойства горных пород, руд и минералов относятся к числу базовых физических свойств минеральных сред. Исследования тепловых свойств являются неотъемлемой частью комплекса петрофизических работ по изучению земной коры в рамках Программы сверхглубокого бурения. Тепловые свойства пород оказывают значительное влияние на процессы, связанные с тектоно-магматической деятельностью, на условия формирования месторождений полезных ископаемых. Определяющим является влияние тепловых свойств на формирование теплового поля Земли, на тепловой режим континентов и океанов, суточный и сезонный ход температур в гелиотермозо-не, тепловой режим шахт и горных выработок. Достоверная информация о тепловых свойствах горных пород и руд необходима при проведении работ, связанных с изучением возможностей терморазведки и ее применением, решении задач геотермальной энергетики, тепловой аэрокосмической съемки.
Вместе с тем проблема теоретического описания и экспериментального определения тепловых свойств горных пород довольно сложна, так как горные породы представляют собой гетерогенные, случайно-неоднородные среды с анизотропными, как правило, зернами минеральных агрегатов. Общепринятые модели для расчета тепловых свойств таких сред в настоящее время отсутствуют, а традиционные методы измерения тєплоекх свойств минеральных сред, за редким исключением, заимствованы из промышленной теплофизики и ориентированы на однородные изотропные среды.
В связи с этим актуальными являются задачи, во-первых, исследования закономерностей формирования тепловых свойств горных пород и руд, исходя кз их минерального состава и структурно-текстурных особенностей, и, во-вторых, совершенствования методической базы измерений тепловых свойств горных по -род, руд и минералов на основе традиционных методов, с учетом анизотропии и неоднородности изучаемых сред.
Цель работы - повышение достоверности и информативности теплофизическкх исследований минерального вещества земной коры.
Основными задачами, решаемыми в работе, являются:
-
Разработка теоретических методов расчета обобщенной проз димости многокомпонентных гетерогенных сред различной струї туры.
-
Изучение закономерностей формирования эффективных теплої свойств гетерогенных сред при нестационарном тепловом воздс ствии.
-
Анализ особенностей и возможностей применения традиционч-методов измерения тепловых свойств, созданных для изучения однородных и изотропных промышленных материалов, при исслед ваниях горных пород, руд и минералов с учетом их анизотрош и неоднородности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена теоретическая модель обобщенной проводимости
многокомпонентных гетерогенных сред с анизотропными зері
ми минеральных агрегатов и сред с параллельными волокнами г ограниченном контрасте проводимости компонентов.
-
В явной аналитической форме рассчитана обобщенная прової мость двухкомдонентных гетерогенных сред при произвольнс контрасте проводимости компонентов с учетом перколяциощ явлений.
-
Разработан и обоснован подход к расчету эффективных теш вых свойств гетерогенных сред при нестационарном теплове воздействии и построены приближенные аналитические вкраа ния для функции Грина нестационарного уравнения теплопро водности в слоистых и зернистых средах, реализующие это подход.
-
Модели таких традиционных методов измерения тепловых свойств, как метод плоского источника постоянной мощноет и метод двухточечного зондирования, построенные для изо тройных сред, обобщены на случай, когда исследуемая сред анизотропна. Модель метода линейного источника постоянно мощности, построенная в анизотропной среде применительно измерению компонентов тензора теплопроводности, обобщена на измерение комплекса тепловых ев ойств такой среды.
Практическая ценность работы состоит в том, что расшир ны возможности исследования обобщенной проводимости и тепло вых свойств гетерогенных анизотропных минеральных сред при
решении геотермических и петрофизических задач фундаментального и прикладного характера, найдены пути повышения эффективности измерений тепловых свойств анизотропных горных пород, руд и минералов традиционными методами.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Полученные в работе результаты используются в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории теплофизических исследований геологических объектов МГРИ при проведении комплексных геотермических и петрофизических исследований геологических объектов, включая континентальные научные скважины России.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международном симпозиуме "Проблемы геотермальной энергии" в г. Санкт-Петербурге в 1993 г., на Международной конференции "Теплофизические проблемы про -мышленного производства" в г. Тамбове в 1992 г., на Всесоюзном совещании АН СССР "Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон" в г. Бишкеке в 1991 г., на региональной конференции АН СССР "Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях" в г.Свердловске в 1989 г., на научных конференциях МГРИ в 1988-1992 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 135 страниц машинописного текста, 14 рисунков, трех таблиц. Список литературы включает 98 наименований.