Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В результате теплового воздействия на горные породы в них протекают сложные физико-химические процессы, обусловленные повышением температуры. При низких (до 400—500 °С) и средних (до 1000—1100°С) температурах протекают физические процессы, связанные с нагреванием породы, испарением влаги, выгоранием органических примесей, полиморфными превращениями отдельных минералов, размягчением стеклообразной фазы и частичное рас­плавление легкоплавких компонентов. При этих же температурах происходят химические процессы — потеря химически связанной воды и диссоциация карбонатов.

При более высоких температурах протекают физико-химиче­ские процессы, связанные с образованием первичных расплавов, растворением в этих расплавах тугоплавких компонентов горной породы и образованием новых химических соединений в составе жидкой стекловидной фазы.

В том случае, если в расплавленное состояние переходят без изменения все минеральные составляющие горной породы и полу­чается расплав первоначального соединения, то такое плавление называется конгруентным. Если же при плавлении пород полу­чается расплав и новое твердое соединение, отличное по свойствам от исходного, то такой тип плавления называется инконгруентным.

При плавлении горных пород образуется в большинстве слу­чаев силикатный расплав, состоящий из различных химических соединений, между которыми протекают сложные физико-химиче­ские процессы.

Температура плавления горных пород зависит главным обра­зом от химического и минералогического составов. Согласно со­временным представлениям горная порода рассматривается как единая большая молекула, все химические элементы которой представлены в виде оксидов и их соединений, образующих две ведущие группы: кислую (Si02, А1203 и др.) и основную (СаО, MgO, Fe203, FeO и др.).

Оксиды элементов в большинстве случаев имеют высокую по­стоянную температуру плавления (MgO ~ 2800 °С, СаО ~ 2570 °С, AI2O3 ~ 2050°С, Si02 ~ 1713°С), а их многочисленные соедине­ния плавятся при более низких температурах.

Как правило, кислые породы с повышенным содержанием Si02 и А120з имеют более высокую температуру плавления, а бо­лее основные породы из-за присутствия оксидов натрия, калия и железа — относительно низкую температуру плавления. Наиболее легкоплавкими являются породы, минералогический состав кото­рых представлен моноклинными пироксенами, полевыми шпатами, железистыми разновидностями оливина. При возрастании содер­жания минералов кварца, плагиоклаза, ромбического пироксена и некоторых других температура плавления породы увеличивается. На температуру плавления пород оказывает влияние и их струк­тура: породы мелкозернистой структуры являются более легко­плавкими. Так как горная порода состоит из ряда минералов, то прежде всего начинает плавиться их эвтектическая смесь.

Важное влияние на процесс плавления породы оказывает от­ношение оксидов Fe203/Fe0, входящих в химический состав ее минералов, и атмосфера, в которой протекает плавление. Чем меньше отношение Fe2Ц3/FeO, тем легче протекает процесс плав­ления, при этом понижается вязкость образующегося расплава и повышается его кристаллизационная способность. Увеличение со­держания FeO происходит в восстановительной атмосфере за счет Fe203, в окислительной среде процесс обратим.

С технологической точки зрения наибольший интерес представ­ляют вязкостные и кристаллизационные свойства расплава. Со­гласно ионной теории, вязкость расплава определяется наличием в нем укрупненных, недостаточно подвижных анионов, широко представленных в силикатных расплавах кремнекислородными комплексами, сложность которых зависит от соотношения кисло­рода и кремния. С повышением температуры связи внутри анио­нов уменьшаются и в результате диссоциации упрощаются с при­обретением большей подвижности. Перегретые силикатные рас­плавы по свойствам близки к ньютоновским жидкостям, но при появлении твердых фаз, наличии растворенных флюидов (Н20, HCl, HF, С02) и вблизи точки кристаллизации они приобретают свойства неньютоновских жидкостей, характеристики которых ме­няются от бингамовских пластиков до дилатантных жидкостей

Рис. 1.7. Температурная зависимость вяз­кости базальтовых расплавов. :

101—диабаз; 515 —андезнто-базальт; 221-3 и I — камчатские базальты; 404 —алагезский базальт.

в зависимости от условий течения, состава и др. [3, 42]. Ввиду отсут­ствия строгой теории вязкости та­ких сложных систем в работе [35] предложен метод расчета и прогнозирования реологических ха­рактеристик расплавов горных по­род с использованием известного уравнения Аррениуса — Френке­ля — Эйринга:

,П = %ехр[£/(^7′)], (1.12)

где — вязкость расплава; т]о — передэкспоненциальиый множи­тель, характеризующий вязкость сплава при 7" —> со, теоретическое значение которого по порядку величины равно 10~3 Па-с; Е — энергия активации вязкого течения, Дж/моль; /? — универсальная газовая постоянная, Я = 8,32 Дж/(моль-К); Т—температура по шкале Кельвина, К.

Анализ результатов статистического анализа эксперименталь­ных данных по вязкости магматических, силикатных и алюмосили — катных расплавов позволил получить простое полуэмпирическое уравнение барической и температурной зависимости вязкости для всего природного диапазона составов расплавов горных пород в следующем виде [35]:

1ё Т1 = £/(4,5767′ — 4,5) + р (ро6щ — р£л), (1.13)

где Е — энергия активации вязкого течения «сухих» расплавов при Рн2о = ® или водосодержащих расплавов (флюидосодержащих) при Робщ > РфЛ; Р — пьезокоэффициент ВЯЗКОСТИ, Р) = 5,02 X X Ю-4 МПа-1 для «сухих» расплавов, р2 = —1,2-10~3 МПа-1 для недонасыхценных водой расплавов; Робщ — общее (литостатическое) давление, МПа; р£л — флюидное давление в расплаве, МПа.

Значения вязкости и энергии активации расплавов приведены в табл. 1.4.

Зависимость изменения вязкости расплавов различных базаль­тов от температуры Т приведена на рис. 1.7.

В лаборатории Донецкого камнелитейного завода исследована вязкость расплава из шихты на основе горелых шахтных пород; полученные данные зависимости вязкости от температуры рас­плава показаны на рис. 1.8. Экспериментально установлено, что введение в шихту до 3 °/о железного концентрата или плавикового шпата снижает вязкость расплава в интервале температур 1200—

Вязкость и энергия активации расплавов [35] Ї, °С робщ’ МПа Рфл’ МПа Концентрация компонентов флюида, вес. % Г), Па с £, 105 Дж/моль Гранит + НгО 800 50 50 Н20 = 2,1 6,4 2,04 1100 50 50 То же 4,25 2,04 800 200 200 НгО = 5,2 4,97 1,74 1200 200 200 То же 2,67 1,74 850 700 700 Н20 = 12,3 4,2 1,65 950 700 700 То же 3,36 1,65 Г ранит + НгО + НС1 . 1100 60 50 Н20 = 2,1, С1 < 0,1 5,04 2,29 1250 60 50 То же 4,36 2,29 950 200 200 Н20 = 5,54, С1 < 0,1 4,65 1,94 1100 200 200 То же 3,85 1,94 900 400 400 НгО = 8,95, СІ < 0,1 4,10 1,72 1100 400 400 То же 3,50 1,72

2,01 2,01 1.72 1.72

1.89 1.89

Г ранит + Н20+№аС1 1000 200 200 Н20 = 5,25, С1 < 0,1 4,62 1250 200 200 То же 3,7 900 400 400 Н20 = 8,7, С1 < 0,1 4,03 1100 400 400 То же 3,35

Г ранит + Н20 + НР 900 200 200 Н20 = 6,30, Р = 1,6 4,66 1200 200 200 То же 3,36

Андезит (вулкан Авача) 1200 0,1 0 Н20 = 0 3,75 2,06 1300 0,1 0 н2о = 0 3,22 2,06 1300 400 0 То же 3,15 2,0 1950 400 0 » 2,86 2,0 1150 25 25 Н20 = 1,0 3,50 1,90 1200 225 25 То же 3,25 1,90 1100 300 25 » 3,64 1,86 1200 300 25 3,01 1,86 Базальт (вулкан Ключевская Сопка) 1200 0,1 0 н2о = 0 3,64 2,02 1300 0,1 0 То же 3,16 2,02 1200 400 0 » 3,48 1,97 1300 400 0 » 2,94 1,97 1100 100 100 Н20 = 2,5 2,74 1,65 1300 100 100 То же 1,91 1,65

Рис. 1.8. Температурная зависимость вязкости рас плава Донецкого камнелитейного завода..

у, Па-о

2S ■ 20 ■ 15 — 10 — 5 — О —

1300 °С на 25—30 %- То же самое уста-

новлено при исследовании вязкостных свойств расплава светлокаменного литья из

пород различного состава (рис. 1.9) [35].

.. ‘ Непосредственную связь с вязкостью 1300~кс0~1500 1600 Т~С Расплава имеет его плотность, знание ко-

* торой для целого ряда технологических

процессов особенно необходимо, так как позволяет рассчитать усадку расплава при кристаллизации. Зависимость обратной вели­чины плотности — удельного объема расплава от температуры для некоторых горных пород показана на рис. 1.10, а значения изме­нения плотности для исследуемого интервала температур приведе­ны в табл. 1.5.

I — эвтектическая смесь диопсида, волластонита и трндимита; 2—диопсид с избытком SiC2i 3 — эвтектическая смесь диопсида и анортита; 4 — сплав аиортита н днопсида с добавкой пла* викового шпата; 5—сплав анортита н диопсида с добавкой кремнефторнстого иатрия; 6 — пи­роксен с избытком СаО и AI2O3; 7—чистый диопсид.

Рис. 1.9. Температурная зависимость вязкости расплава светлокаменного литья.

7j, flQ-C

1300

1400 1500 Т,°С

о

то

Анализ результатов исследования силикатных расплавов позво­ляет установить определенную связь между вязкостью, другими физическими свойствами расплавов и их химическими особенно­стями [35]. Так, на вязкостные свойства силикатного расплава большое влияние оказывает отношение кислорода к кремнию, с увеличением которого вязкость понижается. Оксиды различных элементов оказывают на вязкость расплава и другие его свойства разное влияние. Оксид кремния БЮг повышает температуру плав­ления горных пород, вязкость расплава и снижает его кристалли­зационную способность. Чем выше содержание 5Ю2 в породе, тем в большей степени изменение вязкости зависит от температуры

Рис. 1.10. Зависимость удельного объема расплава V от температуры Т. I — диабаз І0І; 2—диабаз 102; 3— диабаз 104;

4— базальт из Закавказья; 5—диорит с Ура — ла (Н повторные измерения плотности).

расплава. А1203 также повы­шает вязкость расплава, но при содержании в расплаве до 10 % вязкость его несколько понижается. Оксид магния MgO снижает вязкость рас­плава и температуру плавле­ния пород, однако с увеличе­нием его содержания снижа­ется возможность получения однородного расплава Fe203 в целом снижает температуру плавления породы и вязкость расплава, повышает кристаллизационную способность последнего. Важное значение при этом имеет отношение Fe203/Fe0, характеризующее степень окисления расплава. Активный катион Fez+ разрушает кремнекислородные анионы, препятствует окислению расплава за счет кислорода воздуха и тем самым снижает вязкость рас­плава. Оксид кальция СаО в меньшей степени, чем магния, снижает вязкость расплава и повышает его кристаллизационную спо­собность. МпО снижает вязкость, но ухудшает кристаллизацион­ную способность. Оксиды натрия Na20 и калия К2О существенно снижают вязкость расплава, но практически не влияют на его кристаллизационные свойства.

Свойства расплава горной породы существенно зависят от на­блюдаемой в нем дифференциации за счет диффузионных и гра­витационных процессов.

Кристаллизация расплава породы происходит с понижением его температуры и уменьшением теплового движения атомов. В итоге создается дальний порядок в расположении атомов с постепенным выделением кристаллов отдельных минералов.

Таблица 1.5 Плотность расплава горных пород (по данным [Хаи Б. X. и др., 1969 г.]) Породы Температура расплава, °С Плотность, кг/м3 Шилихинский диабаз 101 1360—1120 2610—2865 » » 102 1360-1140 2660—2800 » » 10-1 1360—1090 2610—2820 Закавказский базальт 1390—1100 2600—2740 Уральский диорит 1340—1140 2566—2685

В случае резкого понижения температуры расплава образуется стекло, которое рассматривается как переохлажденная жидкость, сохраняющая в твердом состоянии ближний порядок в расположе­нии атомов. Способность расплава к переохлаждению зависит от линейной скорости кристаллизации и от числа центров кристалли­зации, образующихся в единице объема в единицу времени. Как показали исследования [35], линейная скорость кристаллизации твердых фаз из силикатных расплавов и скорость возникновения центров кристаллизации зависят от концентрации в расплаве со­ответствующих компонентов, вязкости и температуры расплава, а также темпа охлаждения последнего (рис. 1.11).

Важное влияние на процесс кристаллизации расплава оказы­вают различные модификаторы, которые специально вводятся в расплав для создания дополнительных многочисленных центров кристаллизации с целью повышения кристаллизационной способ­ности, снижения температуры кристаллизации и регулирования структуры и свойств полученного при твердении материала.

В процессе кристаллизации расплава образуется твердая пе­реплавленная порода, в структуре которой всегда присутствуют как кристаллическая, так и стекловидная фазы. Роль последней при этом двойственна и зависит от характера ее распределения в застывшем расплаве. Если стекловидная фаза равномерно рас­пределена между отдельными кристаллическими зернами и играет роль цементирующей основы, то механическая прочность получен­ного материала возрастает. При неравномерном ее распределении механическая прочность снижается.

В зависимости от содержания стекла структуры отвердевших расплавленных пород подразделяются на следующие группы: стек­ловатую (70—100 % стекла); полустекловатую (30—70%); —

Степень переохлаждения Рис. 1.11. Зависимость кристаллизационной способности силикатного расплава от степени переохлаждения (по A. C. Гинзбургу). 1—скорость образования центров кристаллизации; 2—скорость роста кристаллов; строение: ав—мнкролитовое, вс—крупнозернистое, de — мелкозернистое, cd—сферолитовые, ef — форфо- ровидное.

Характеристики механической прочности каменного литья и других материалов (по данным [Хан Б. X. н др., 1969 г.; Липовский И. Е., 1969 г.])

Виды литья и материалы	асж, МПа	он, МПа	ор, МПа	Б. Ю5 МПа	Ударная вязкость МПа
Базальт-горнблепдитовое (Московский завод)	250	47	25	1,0	—
Базальт-доломитовое (Донецкий комбинат)	376	57	30,8	1,11	0,26
Термостойкое (Московский завод)	180	30	—	—	—
Базальт-шлаковое (Кривой Рог)	200	23	—	—	—
Гранито-шлаковое (Кривой Рог)	175	39	—	—	—
Г орнблендитовое (Первоуральск)	225	ДО 70	—	1,15	0,06
Литье из медных шлаков (Балхаш)	100	10-15	9-10	—	—
Литье из медных шлаков (Джезказган)	140—165	15-20	6,5-14	—	—
Светлокаменное (Москва)	До 400	35	20	1,01	—
Литье из медных шлаков (Армения)	300	40	—	—	—
Литье из доменных шлаков (Караганда)	70—80	—	7-8	—	—
Г аббропоритовое	400	78	—	—	—
Базальт естественный	200	48	—	—	0,17
Гранит естественный	150	—	—	—	—
Диабаз естественный	300	—	—	—	—
Стекло техническое	700	70	—	0,8	0,2
Бетон	5-60	—	—	—	0,2-0,45
Фарфор технический	—	55	—	—	0,2
Чугун серый	1000	280	—	—	1,0-2,0
Сталь	2000	—	450	2,15	—

З Б — Б. Кудряшов и др.

33

почти кристаллическую (10—30%); полнокристаллическую (0— 10 %)• Каждая из этих структурных групп имеет отдельные струк­турные типы и виды.

В процессе охлаждения расплава возникают внутренние напря­жения в образующемся твердом веществе, которые в условиях быстрого охлаждения могут привести к растрескиванию и разру­шению твердеющего материала. Прочностные свойства кристалли­зующегося вещества зависят также от минералогических особен­ностей, размеров кристаллических зерен и характера их связи. Экспериментально установлено, что сопротивление сжатию растет с уменьшением размеров кристаллических зерен. В крупнокри­сталлических образованиях могут появляться микротрещины, сни­жающие механическую прочность материала.

В табл. 1.6 и 1.7 приведены прочностные характеристики и теп­лофизические свойства камнелитейных изделий и других материа­лов [57].

Анализ многочисленных экспериментальных и производствен­ных данных показывает, что для получения материала с задан­ными физико-механическими свойствами необходимо с учетом хи-

Таблица 1.7 Теплофизические свойства каменного литья и других материалов (по данным [Хаи Б. X. и др., 1969 г.; Липовский И. Е., 1969 г.]) Виды литья и материалы Л, Вт/(м-°С) а, 10“7 м2/с с, кДж/(кг-°С) Базальт естественный 3,5 _ Литье из базальта кристаллическое: до 100 °С 1,27 3,44 0,78 до 600 °С 1,58 5,67 1,07 Литье из базальта стекловидное: до 100 °С 1,97 5,19 0,79 до 600 °С 2,63 6,83 1,03 Литье базальто-шлаковое (Кривой 1,45 3,56 — Рог) Литье светлокаменное 0,99 — 1,05 ‘ Литье из горелых пород: до 100 °С — — 0,68 до 330 °С — — 0,93 до 800 °С — — 0,95 Литье из доменных шлаков 1,15 — 0,67 Литье из медных шлаков 700 °С 2,87 — — 100 °С — 4,19 — Стекло оконное, до 350 °С 0,92 . — 0,33—1,05 Кирпич: красный 0,77 — 0,88 динасовый 0,93 — 0,84 шамотный 0,84 — 0,88 Сталь мягкая, до 500 °С 38,0 — 0,55 Чугун серый, до 400 °С 43,3 — 0,54 Алюминий, до 550 °С 268,3 0,95

S4

мического и минералогического состава горных пород регулиро­вать температурный режим как плавления, так и кристаллизации расплава, чтобы получить нужное минеральное образование и со­ответствующую структуру.

Комментарии запрещены.