喬宇

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

引言

導(dǎo)熱性質(zhì)是巖石重要的物理性質(zhì)之一，其在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)及巖土熱工程應(yīng)用中有著重要意義。巖土體的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容是表征巖土體傳熱性質(zhì)的主要參數(shù)。巖土熱物性參數(shù)受多因素影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖土體的熱物性參數(shù)開(kāi)展了大量研究。

巖石的導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要為巖石本身組構(gòu)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(guò)某種膠結(jié)形式形成，顆粒之間存在大量填隙物，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此在考慮其固相差異時(shí)應(yīng)對(duì)其填隙物成分及含量、顆粒組分及顆粒粒徑進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)與分析

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

圖1 顆粒粒徑與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

其中λ為不同粒徑礦物粉末的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ0為礦物單晶狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)；

根據(jù)上圖所示，將巖石顆粒粒徑分為砂級(jí)顆粒及填隙物兩個(gè)部分，顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，所測(cè)樣品砂級(jí)粒徑大部分在0.1mm左右，因此將λ/λ0設(shè)為0.75，而填隙物的礦物顆粒多為隱晶質(zhì)，粒徑極小，設(shè)為0.001—0.05mm，λ/λ0取0.25。

通過(guò)X射線熒光光譜分析(XRF)準(zhǔn)確地對(duì)構(gòu)成巖石的元素組分進(jìn)行分析，并結(jié)合XRD實(shí)驗(yàn)對(duì)礦物成分定量化，并通過(guò)薄片鑒定可以判斷出巖石砂級(jí)顆粒幾乎全部為石英和長(zhǎng)石，將巖石礦物組分中砂級(jí)顆粒礦物的石英及長(zhǎng)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(zhì)含量，結(jié)果如下表所示：

將不同粒徑礦物顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)與巖石物質(zhì)組成相結(jié)合，并在考慮巖石孔隙率的基礎(chǔ)上將巖石導(dǎo)熱系數(shù)構(gòu)成分為三個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)過(guò)小，可認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)為0，則各組分導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)平均數(shù)情況如下：

表2 巖石各組分導(dǎo)熱系數(shù)

由上表可知，巖石的導(dǎo)熱系數(shù)并不是由簡(jiǎn)單的各組分加權(quán)后的算術(shù)平均值疊加而構(gòu)成，編號(hào)為1和4的巖石導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)計(jì)算值大于編號(hào)2的巖石，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示編號(hào)為2的巖石導(dǎo)熱系數(shù)反而大于1號(hào)及4號(hào)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)。各組分對(duì)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)影響不同，而結(jié)合四塊巖石的孔隙率可以看出，孔隙率的不同對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。在傳熱過(guò)程中，孔隙的存在不僅對(duì)熱傳導(dǎo)沒(méi)有幫助，而且還會(huì)形成較大的熱阻，阻礙熱傳遞過(guò)程。

通過(guò)填隙物中石英含量與巖石導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，巖石導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

為了確定巖石各組分對(duì)巖石整體導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)，對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)算式擬合，擬合公式為：

(5-1)

其中為巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，為填隙物的導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)值，為巖石砂級(jí)碎屑的導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)值，為巖石的孔隙率，a、b、c分別為各組分對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如下：

表3 影響系數(shù)擬合結(jié)果

通過(guò)擬合結(jié)果可知，巖石各組分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)不同，結(jié)合各組分物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以得出以下結(jié)論：

1.巖石的填隙物雖然導(dǎo)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(zhì)，主要在高導(dǎo)熱的礦物顆粒間起“熱橋”作用，對(duì)傳熱過(guò)程有較大影響，不同的膠結(jié)類(lèi)型、雜基成分對(duì)導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)石，有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在傳熱過(guò)程中主要承擔(dān)熱傳遞作用，是傳熱過(guò)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(dǎo)熱性能的礦物顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)反而最小。但碎屑顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。

3.巖石的孔隙率對(duì)導(dǎo)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(dǎo)，因此孔隙率的微小差別即可造成導(dǎo)熱系數(shù)較大的差異。

2 結(jié)論

填隙物、砂級(jí)顆粒、巖石孔隙率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)都有較大影響，不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)陸源碎屑巖導(dǎo)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(jí)顆粒的影響系數(shù)最小，但砂級(jí)顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。

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