岩石特性对导热系数影响探究

岩石特性对导热系数影响探究
王思雯;吕士辉;胡克;郑志远
【摘要】The thermal conductivity of rock is measured in experiments. The composition, porosity, distribution of the element and parameters of morphology have been analyzed. The results show that the thermal conductivity of the rock is determined by the porosity. Moreover, the ambient temperature, rock structure, the content of metallic elements and quartz also influence on the thermal conductivity.%利用热系数测试仪对岩石的导热系数进行测量,并分析了岩石成份、孔隙度、元素分布以及岩石形貌等参数对岩石导热系数的影响.结果表明,岩石孔隙度对岩石导热系数影响较大,同时岩石导热系数与所处的环境温度、岩石的结构以及金属元素和石英含量等因素有关.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2012(029)006
【总页数】3页(P39-41)
【关键词】导热系数;岩石;孔隙度
【作者】王思雯;吕士辉;胡克;郑志远
【作者单位】中国地质大学(北京)海洋学院,北京100083;中国地质大学(北京)海洋学院,北京100083;中国地质大学(北京)海洋学院,北京100083;中国地质大学(北京)材料科学与工程学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】O551.3-34;P584
孔隙度和温度对岩石的物理性质有着不可忽略的影响，通过岩石导热系数的研究，可以进一步对地温场的分布加以解释。

岩石导热系数受到岩石的矿物成分、含量、结构、孔隙度、压力、温度和含水量等诸多因素的影响。

目前，关于岩石性质和导热系数的研究已经取得了一定的成果。

秦本东等研究表明，导热系数、导温系数和膨胀系数是影响石灰岩各向异性膨胀的主要因素［1］；毛丹等通过各种粒径下矿石，发现岩石的导热系数都随温度上升而缓慢增大，在实验温度范围内基本上呈直线关系，在相同温度下，矿石导热系数随粒径变化的关系曲线整体类似抛物线［2］；德默塞等研究表明，施加在岩石上的围压将导致一个附加热流流向矿山井巷表面，与单轴应力比较，其导热系数明显增大。

一个主应力为零的径向应力释放，将导致导热性降低，膨胀了的岩石就可能表现为似绝热体［3］。

到目前为止，在岩石性质与导热系数的研究中，多数情况是探究外界压力等因素对岩石导热系数的影响以及岩石导热系数与其他物理性质的关系，而对岩石本身的性质与导热系数关系的研究较少［4－12］。

本文以花岗岩、矿石、角闪岩等作为测试岩样，分析了岩石成份、导热系数、孔隙度等物理量对其导热系数的影响，重点测量了岩石本身性质和测量温度与岩石导热系数之间的关系。

本实验利用稳态平板法测量材料的导热系数。

使用的仪器是由杭州大华仪器制造有限公司生产的YBF－3型导热系数测试仪。

实验仪器调整好后，将岩石固定在上、下铜板之间，然后对岩石加热至设定温度并达到稳态，使岩石得到稳定的温度分布。

记录稳态时的上、下表面温度T1、T2，移去样品；继续对下铜板加热，当下铜板温度比下表面温度T2高出10℃时，移去加热圆筒，将下铜板所有表面均暴露于
空气中，使下铜板自然冷却；每隔30s记录1次下铜板的温度值，直至温度下降
至低于下表面温度T2值2℃。

作铜板的T－t冷却速率曲线，并计算岩石样品的导热系数。

多次测量岩石样品，并不断改变稳态时的上、下表面温度T1、T2，得出
岩石样品的导热系数。

设热量是沿着Z方向传导，根据热传导定律有
式中：dQ/dt表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积dS的热量），T2为下铜板温度，m为铜板的质量，c为铜板的比热容，式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反），dT/dt是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率。

传导定律可表示为
式中，λ为导热系数，以dT/dz表示在Z处的温度梯度，负号表示热量从高温区向低温区传导。

实验中的样品为花岗岩、矿石、角闪岩。

将形状不规则的3种样品加工成具有两面平行的块状，其物理参数如表1所示。

在测量岩石成分的实验中发现：矿石样品含黄铜矿与磁铁矿较多，共占样品矿物成分约为60%，长石与石英成分较低，共占矿石样品矿物成分约为35%，以及少量闪石；花岗岩中，长石与石英含量较大，占花岗岩样品矿物成分别约为50%和45%，在花岗岩中还有少量伊利石；角闪岩中，长石与石英含量较低，共占角闪岩样品矿物成分约为25%，绿泥石与闪石在角闪岩样品中较为富集，各占角闪岩品矿物成分约为35%，在该样品中存在少量磁铁矿。

图1为花岗岩、矿石、角闪岩在上下铜板稳定温度均为60℃时测量得到的导热系数值。

从图1中可看出：角闪岩的导热系数在3种岩石样品中最大，为5.88W/（m·℃）；花岗岩的导热系数在3种样品中最小，为2.45W/（m·℃），说明岩石导热系数与岩石种类和岩石本身性质有关。

图2为不同测量温度下测得的角闪岩的导热系数曲线。

由图2可知，导热系数随稳定测量温度的增大呈减小趋势；每5℃为一个梯度进行测量，角闪岩导热系数在4次测量中数值上减小约为0.34W/（m·℃）；角闪岩的导热系数在50～60℃的
区域内共降低0.15W/（m·℃），在稳定温度为65℃时所测得的导热系数比稳定
温度为60℃时所测得的导热系数低0.19W/（m·℃）。

推测该现象与岩石内部的
矿物组成性质及仪器误差有关。

温度升高导致岩石内部组成物质的化学性质表现得不如低温状态下稳定，从而表现出对岩石物理性质也有相应的改变。

同时，温度的升高使得仪器与周围的温度场相差更多，可能使得测量结果有更大的误差。

图3是岩石样品的SEM形貌图。

从图中更加直观地看到它们的空隙、密度以及矿物组成成分的形态。

在3种岩石样品中矿石的矿物含量为最高的，根据导热规律，含金属量较大的物体导热系数应较大，然而，本实验测得的矿石的导热系数并不比角闪岩样品的导热系数大，这是由于孔隙度影响的原因。

孔隙度实验表明，矿石的空隙率较高，为13.08%。

孔隙度较高时，热量在岩石内部传导时需通过空气这种良好的绝热介质，这就大大降低了岩石的导热能力，成为影响导热系数的主导因素。

孔隙度较小时，岩石本身元素成分、由元素所组成矿物种类以及由元素所组成的矿物分布占主导因素，影响岩石导热系数的大小。

孔隙度对饱水岩心导热系数的影响与风干岩心有相同的影响规律，孔隙度越大，导热系数越小，岩心饱水状态导热系数要比风干状态高［13］。

岩石样品中，花岗
岩与角闪岩的密度、孔隙率、颗粒度均相似，花岗岩比角闪岩的石英含量较多，且花岗岩比角闪岩的导热系数较小。

角闪岩样品中Si的分布较为均匀，但是含量较少；花岗岩中Si的含量较为均匀，含量相对较大；矿石中Si的含量变化较大，含量也相对较大。

岩石中元素Si主要是以SiO2的形态，SiO2的丰度和分布状况也是影响岩石导热系数的原因之一。

SiO2在岩石中所形成的矿物主要是石英和蛋白
石等矿物，石英的导热系数较小，通常小于一般岩石的导热系数，所以当岩石中富含石英时，石英也成为影响导热系数的主要因素之一。

本文对3种不同的岩石在同一稳定温度下的导热系数以及同一岩石在不同稳定温
度下的导热系数进行了初步的测量和分析。

岩石样品的孔隙率较大，岩石导热系数
则会相对减小，成为影响岩石导热系数的主要因素之一。

随着稳定温度的增加，岩石的导热系数相应减小。

岩石样品中金属元素的丰度对岩石的导热系数有一定影响，但不是主导因素，含有金属元素较多的岩石其导热系数相对较大。

石英在岩石中的含量、分布状态等因素，对岩石的导热系数也会有影响，孔隙率、密度、颗粒度等物理量相似的岩石中，石英含量较大的岩石导热系数相对较小。

同时，仪器的系统误差对测量结果也具有一定影响。

【相关文献】
［1］秦本东，谌伦建，晁俊奇，等.石灰岩各向异性膨胀的影响因素研究［J］，西安科技大学学报，2009，29（1）：64－67.
［2］毛丹，陈沅江，吴超.热线法测定散体硫化矿石导热系数［J］.金属矿山，2009（4）：65－69.
［3］德默塞A，戈里古勒K，德鲁勒克Y S.岩石导热性与单轴和3轴应力变化的关系［J］.矿业工程，2006，4（2）：15－17.
［4］吴同成.稳态法测量不良导体导热系数原理的修正［J］.淮海工学院学报：自然科学版，2009，18（2）：13－16.
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