Par_skal.doc

Artur Gawlik

PARAMETRY  CIEPLNE SKAŁ

1. STOPIEŃ  GEOTERMICZNY  SKAŁ  I  TEMPERATURA  PIERWOTNA  SKAŁ

1.1.  STOPIEŃ  GEOTERMICZNY  SKAŁ

                   Stopień geotermiczny jest to liczba metrów przyrostu głębokości odpowiadająca przyrostowi temperatury o  1 oC. Wzór

ogólny stosowany do obliczenia stopnia geotermicznego Sg   jest następujący:

             m / oC

gdzie:

              dp - głębokość  poziomu  obliczeniowego, m

              dn - grubość  strefy  naturalnej, m

              Jp - tem. na głębokości  przyjętego poziomu  obliczeniowego, oC

              Jn - tem. strefy  naturalnej, oC

1.2.  Temperatura  pierwotna  skał

              Temperaturę rzeczywistą można wyznaczyć dwoma metodami:

- metodą profilowań (karotaży) 

- metodą pośredńią opartą na właściwościach cieplnych skał.

           Profilowanie termiczne wykonuje się termometrami elektrycznymi opuszczonymi do otworów wiertniczych na kablu karotażowym.Termometry różnią się wymiarami oraz przede wszystkim  tzw. stałą czasową, charakteryzującą czas przyjmowania ciepła kompleksu skalnego przez dany termometr.

              Dokładność profilowań termicznych zależy od wielu czynników. Po określeniu właściwości cieplnych, z możliwie wyznaczaniu temperatury rzeczywistej w kompleksie skalnym liczba poziomów nie jest ograniczona. Praktycznie są topoziomy utworzone przez różne formacje geologiczne oraz procesy tektoniczne-strukturalne.

                      Temp wszystkich odmian petrograficznych skał występujących w otworze wiertniczym, wyznacza się temperaturę rzeczywistą(pierwotną) przewiercanych skał.

                       W tym celu wykorzystuje się istniejącą zależność pomiędzy jednostkowym współcznnikiem zagęszczenia ciepła w strumieniu, współcznnikiem przewodzenia ciepła dla klasy skał a grubością poszczegulnych odmian skał i temperatirą strefy neutralnej.

                        Tęperaturę wyznacza się z zależności:

- dla poziomu pierwszego

              o C

- dla poziomu drugiego

             o C

- dla poziomu n-tego

            o C

gdzie:

                     Jp  -temperatura strefy naturalnej na obszarze Polski na głębokości 20 do30 m waha się ona w granicach 7 do 10 oC

                      d  -grubość warstwy skalnej, m,

                       l  -wspułczynnik przewodzenia ciepła danej skały określony laboratatoryjnie przy uwzględnieniu nawilgicenia i cisnienia                                                 

                        geostatecznego, W/m.oC

                  r  -jednostkowy współczynnik zagęszczenia ciepła w strumieniu przy określonej przewodności cieplnej warstwy skalnej, W/m2

2.  WSPÓŁCZYNNIKI  FIZYKO - TERMICZNE  SKAŁ

              Przewodzenie ciepła przez skały i kompleksy skalne jest to przepływ energii cieplnej przez  nieuporz

d

ądkowanie ruchu cząstek w kierunku od wyższego do niższego poziomu energetycznego (temperatury).Z praw termodynamiki wiadomo, że rozkład poziomu energetycznego (temperatury) w ciele stałym jest nierównomiery. Nierównomierność rozkładu poziomu energetycznego (temperatury) w skale jest warunkiem przewodzenia przez nią ciepła. Rozkład poziomu energetycznego (temperatury) w skale można w najogólniejszym przypadku scharakteryzować funkcją, która określa tzw. pole energetyczne (pole temperatury) w danej skale:

              Funkcja ta podaje zależność poziomu energetycznego w dowolnym punkcie skały od współrzędnych

x, y, z, tego punktu i czasu t

              W masywach skalnych poszczególne rodzaje skał mają w zasadzie stały poziom energetyczny, który uwarunkowany jest wieloma czynnikami. Poziom ten charakteryzuje funkcja:

              gdzie:

              x, y, z  - współrzędne punktu,

              t - czas, s,

              l - współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m2. oC)

              k - współczynnik przenikania ciepła,W/(m2. oC)

              a-  współczynnik wnikania ciepła W/(m2. oC)                                                                                                                a - współczynnik wyrównania poziomów energetycznych temperatury, m2/s

2.1. WSPÓŁCZYNNIK  PRZEWODNOŚCI  CIEPLNEJ  SKAŁ

              Współczynik przewodzenia ciepła jest zdolność przewodzenia ciepła, wyrażająca całkowity strumień ciepła przepływający podczas przepływu ustalonego przez jednostkę powierzchni skały, o jednostkowej różnicy poziomów energetycznych (temperatur) między ściankami skały w jednostce czasu.Współczynnik przewodzenia ciepła ma określoną wartość w danym stanie cieplnym skały i jest jej parametrem fizycznym. Wyznacza się go laboratoryjnie weług zależności:

`   

l - współczynnik przewodzenia ciepła,  W / m oC

Q-ilość energii cieplnej, J
d-grubość jednostkowa, m
A-jednostkowe pole powierzchni, m2
Dv-różnica poziomów energetycznych (temperatur),  C
t-czas przepływu energii cieplnej, s
q- jednostkowy współczynnik zagęszczenia ciepła w strumieniu, W/m2

2.2. WSPÓŁCZYNNIK WYRÓWNANIA POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH (TEMPERATURY)

              Współczynik wyrównania poziomów energetycznych a nazywany jest w górnictwie  rownież współczynnikiem wychładzania lub nagrzewania. Współczynik ten jest to stosunek współczynnika prewodzenia ciepła l do iloczynu gęstości przestrzennej i pojemności cieplnej właściwej, a więc:

              gdzie:

                a - współczynnik wyrównania poziomów energetycznych temperatury, m2/s

              l - współczynnik przewodzenia ciepła,  W / m oC

              r- gęstość przestrzenna   kg / m3                                                                                                                                            c - pojemność cieplna właściwa   J / kg oC

              Jak wynika z wzoru, wspułczynnik przewodzenia temperatury -a- morzna wyznaczyć przez ustalenie przewodności cieplnej l,właściwej pojemności cieplnej-c- oraz gęstościprzestrzennej -- .Niezależnie od podanego sposobu wyznaczania wspułczynnika -a- istnieje szereg metod do bespośredniego ustalania wartości liczbowej tego parametru cieplnego.

          Jednym z najczęsciej stosowanych sposobów jest metoda dwóch punktów. Metoda ta polega na wyznaczaniu współczynnika -a- przez bezpośrednie ogrzewanie i mierzenie temperatury. Znane są jeszcze pośrednie metody wyznaczania współczynnika przewodzenia temperatury,polegające na nie ustalonych warunkach termicznych i często sastosowane przy obliczeniach temperatury powietrza w kopalniach.

2.3. POJEMNOŚĆ CIEPLNA SKAŁ

              Skały oznaczają się różną pojemnością cieplną właściwą c. Związane jest to ze składem mineralnym skały i jej charakterem strukturalnym, a więc jest to cecha fizyczna skały. Pojemność cieplna właściwa skały jest to stosunek elementarnej ilości ciepła dQ dostarczonej skale o określonej masie okkreślonym procesie cieplnym do odpowiadającej jej zmiany temperatury:

                                                                                                                                                                                                    gdzie:                                                                                                                                                                                                   

                  c - pojemność cieplna właściwa   J / kg oC

         Q-ilość energii cieplnej, J

          m - masa  skały kg

         J - temperatura oC

              Do wyznaczania pojemności cieplnej właściwej skał stosuje się metody pomiarów: elektryczne, porównawcze, kalorymetryczne i inne.

2.4. GĘSTOŚĆ  POZORNA  SKAŁ

              Gęstość pozorną oznaczono znanymi metodami:

a)  ważąc próbki skał o znanej objętości (reguralny kształt walca)

b)  przez zanurzenie próbek skalnych w rtęci (wg  normy PN/-55/B-04487)

...