巖石導熱系數(shù)定量化分析

喬宇

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

引言

導熱性質是巖石重要的物理性質之一，其在地熱能開發(fā)及巖土熱工程應用中有著重要意義。巖土體的熱物性參數(shù)，如導熱系數(shù)、體積比熱容是表征巖土體傳熱性質的主要參數(shù)。巖土熱物性參數(shù)受多因素影響，國內外學者針對巖土體的熱物性參數(shù)開展了大量研究。

巖石的導熱系數(shù)由固相、液相、氣相三部分組成，其中液相及氣相為巖石孔隙中含水狀態(tài)的差異，固相成分對導熱系數(shù)的影響主要為巖石本身組構方面的影響，主要涉及到巖石的顆粒組分、粒徑及填隙物。砂巖大多由顆粒較大的礦物通過某種膠結形式形成，顆粒之間存在大量填隙物，結構較復雜，因此在考慮其固相差異時應對其填隙物成分及含量、顆粒組分及顆粒粒徑進行分析。

1 實驗與分析

已有研究表明，礦物顆粒的粒徑對其導熱系數(shù)有較大的影響，隨著顆粒粒徑減小，礦物導熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，根據(jù)前人研究結果，礦物顆粒導熱系數(shù)與粒徑之間存在如下圖所示的關系：

圖1 顆粒粒徑與導熱系數(shù)關系

其中λ為不同粒徑礦物粉末的導熱系數(shù)；

λ0為礦物單晶狀態(tài)下的導熱系數(shù)；

根據(jù)上圖所示，將巖石顆粒粒徑分為砂級顆粒及填隙物兩個部分，顆粒粒徑統(tǒng)計結果顯示，所測樣品砂級粒徑大部分在0.1mm左右，因此將λ/λ0設為0.75，而填隙物的礦物顆粒多為隱晶質，粒徑極小，設為0.001—0.05mm，λ/λ0取0.25。

通過X射線熒光光譜分析(XRF)準確地對構成巖石的元素組分進行分析，并結合XRD實驗對礦物成分定量化，并通過薄片鑒定可以判斷出巖石砂級顆粒幾乎全部為石英和長石，將巖石礦物組分中砂級顆粒礦物的石英及長石組分除去，剩下的即為填隙物的礦物組成?？筛鶕?jù)巖石礦物成分及所占比例判斷出填隙物中各礦物物質含量，結果如下表所示：

將不同粒徑礦物顆粒的導熱系數(shù)與巖石物質組成相結合，并在考慮巖石孔隙率的基礎上將巖石導熱系數(shù)構成分為三個部分，即：填隙物、礦物顆粒、孔隙，干燥條件下巖石孔隙中不含水，僅有空氣，而空氣導熱系數(shù)過小，可認為導熱系數(shù)為0，則各組分導熱系數(shù)加權平均數(shù)情況如下：

表2 巖石各組分導熱系數(shù)

由上表可知，巖石的導熱系數(shù)并不是由簡單的各組分加權后的算術平均值疊加而構成，編號為1和4的巖石導熱系數(shù)加權計算值大于編號2的巖石，但實測數(shù)據(jù)顯示編號為2的巖石導熱系數(shù)反而大于1號及4號巖石的導熱系數(shù)。各組分對巖石的導熱系數(shù)影響不同，而結合四塊巖石的孔隙率可以看出，孔隙率的不同對巖石導熱系數(shù)影響較大。在傳熱過程中，孔隙的存在不僅對熱傳導沒有幫助，而且還會形成較大的熱阻，阻礙熱傳遞過程。

通過填隙物中石英含量與巖石導熱系數(shù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，巖石導熱系數(shù)主要受填隙物中石英含量的影響，隨著填隙物中石英含量的增加，巖石導熱系數(shù)逐漸增大。

圖2 填隙物及孔隙中石英所占比例與與導熱系數(shù)關系

為了確定巖石各組分對巖石整體導熱系數(shù)的影響系數(shù)，對表中數(shù)據(jù)進行加權算式擬合，擬合公式為：

(5-1)

其中為巖石的導熱系數(shù)，為填隙物的導熱系數(shù)加權值，為巖石砂級碎屑的導熱系數(shù)加權值，為巖石的孔隙率，a、b、c分別為各組分對巖石導熱系數(shù)的影響系數(shù)。計算結果如下：

表3 影響系數(shù)擬合結果

通過擬合結果可知，巖石各組分對導熱系數(shù)的影響系數(shù)不同，結合各組分物質的導熱系數(shù)可以得出以下結論：

1.巖石的填隙物雖然導熱系數(shù)較小，但其影響系數(shù)最大，作為連接礦物顆粒骨架的主要物質，主要在高導熱的礦物顆粒間起“熱橋”作用，對傳熱過程有較大影響，不同的膠結類型、雜基成分對導熱系數(shù)影響較大。巖石的填隙物中石英占比越高的巖石導熱系數(shù)越高。

2.陸源碎屑巖的的碎屑顆粒主要為石英和長石，有較高的導熱系數(shù)，在傳熱過程中主要承擔熱傳遞作用，是傳熱過程的主體骨架，但礦物顆粒間有較大的接觸熱阻，熱流在顆粒接觸面的熱流收縮使得良好導熱性能的礦物顆粒對巖石導熱系數(shù)的影響系數(shù)反而最小。但碎屑顆粒對巖石導熱系數(shù)的貢獻最大。

3.巖石的孔隙率對導熱系數(shù)有很大影響，孔隙的存在使得巖體中礦物顆粒之間相互分離，形成極大的接觸熱阻，影響熱傳導，因此孔隙率的微小差別即可造成導熱系數(shù)較大的差異。

2 結論

填隙物、砂級顆粒、巖石孔隙率對導熱系數(shù)都有較大影響，不同物質的導熱系數(shù)對陸源碎屑巖導熱系數(shù)的影響系數(shù)不同，其中孔隙率影響系數(shù)最大，砂級顆粒的影響系數(shù)最小，但砂級顆粒對巖石導熱系數(shù)的貢獻最大。

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