مطالعه آزمایشگاهی برای تعیین ضریب انبساط حرارتی سنگ

نویسندگان

گروه مهندسی معدن دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین

چکیده

خاصیت حرارتی به معنای پاسخ ماده به اعمال حرارت می­باشد. وقتی که یک ماده جامد، مقداری انرژی (در فرم حرارت) را جذب می­کند درجه حرارت جسم و به دنبال آن ابعادش افزایش می­یابد. انرژی ممکن است به مناطق خنک­تر نمونه منتقل شود و حتی موجب ذوب شدن نمونه شود. ساز وکار انتقال گرما در سنگ­ها بسیار پیچیده است. سنگ­ها از کانی­هایی با ترکیبات شیمیایی و درجات کریستالیزه شدگی مختلفی تشکیل شده­اند؛ بنابراین خواص حرارتی سنگ­ها نه تنها به فشار و دما ، بلکه به ترکیبات کانی­شناسی، ساختار و هندسه حفرات، اندازه ذرات و شکل ترک­ها نیز بستگی دارد. ظرفیت گرمایی، رسانایی حرارتی، انتشار حرارتی و انبساط حرارتی اصلی­ترین خواص حرارتی سنگ­ها می­باشند که در مدل­سازی عددی با در نظر گرفتن اثر درجه حرارت مانند مدل­سازی چاه­های نفت، مخازن ذخیره­سازی گاز، محل دفن زباله­های هسته­ای و معادن عمیق کاربرد دارد. در این پژوهش دستگاهی برای تعیین یکی از این خواص که ضریب انبساط حرارتی می­باشد ساخته شده است. برای بررسی کارایی دستگاه این ضریب در سنگ­های ماسه­سنگ، آندزیت، توف سبز کرج و سنگ­آهک تعیین شده است. نتایج این تحقیق نشان می­دهد که نتایج حاصله با نتایج آزمایشگاهی این نوع سنگ­ها که در کتاب­ها موجود است تطابق دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An Experimental Study for Determining the Coefficient of Thermal Expansion in Rock

نویسندگان [English]

  • M. Hosseini
  • A. H Babaei Jozani
چکیده [English]

Thermal property means the material's response to heat application. When energy (in the form of heat) is absorbed by a solid material, its temperature, and subsequently its dimensions, increase. The energy may be transferred to the cooler regions of the sample and may even melt the sample. The mechanism of heat transfer in rocks is very complicated. Rocks are composed of mineral particles with various chemical compositions and various degrees of crystallization. Therefore, the thermal properties of rocks depend not only on the pressure and temperature, but also on the mineralogical composition, the structure and geometry of pores, the size of the particles and the shapes of cracks. The main thermal properties of rocks include heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity and thermal expansion, which they are needed for numerical modeling, considering the effects of temperature, including the modeling of oil wells, gas storage caverns, nuclear waste disposal site, and deep mines. In the present study a device for determining one of these properties, the coefficient of thermal expansion, is developed. To evaluate the efficiency of the device, the values of this coefficient in the sandstone, andesite, the green tuffs of the Karaj formation and limestone are determined. The results are consistent with the results of the experimental studies on rocks found in the literature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • heat
  • the coefficient of thermal expansion
  • rock
Amadei, B (2011) Thermal and hydraulic properties of rocks. Lecture notes 4.

Brodsky, N. S., Riggins, M., & Connolly, J (1997) Thermal expansion, thermal conductivity, and heat capacity measurements at Yucca Mountain Nevada. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 34 (3-4).

Chekhonin, E., Parshin, A., Pissarenko, D., Popov, Y., Romushkevich, R., Safonov, S., Spasennykh, m (2012) When rocks get hot: thermal properties of reservoir rocks. Oilfield Review, 24 (3): 20-37.

Dwivedi, R. D., Goela, R. K., Prasada, V. V. R., Sinhab, A (2008) Thermo-mechanical properties of Indian and other granites. Int J Rock Mech Min Sci, 45: 303-315.

International Society for Rock Mechanics and Ulusay, R (2007) The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring. 1974-2006. International Soc. for Rock Mechanics, Commission on Testing Methods.

Kim, K., Kemeny, J., Nickerson, M (2014) Effect of rapid thermal cooling on mechanical rock properties. Rock Mech Rock Eng, 47: 2005-2019.

Kooshki, O. and Yaghoobi, M. P (2011) Measurement systems mentor, Mechanical Engineering department, Shahrood University of Technology.

Kukkonen, I., & Lindberg, A (1998) Thermal properties of rocks at the investigation sites :measured and calculated thermal conductivity. specific heat and thermal diffusivity. Espoo: Geological Survey of Finland.

Robertson, E. C (1988) Thermal properties of rocks.Virginia: UNITED STATES DEPARTMENT OF THE INTERIOR.

Sun, Q., Lu, C., Cao, L., Li, W., Geng, J., & Zhang, W (2016) Thermal properties of sandstone after treatment at high temprature. international journal of rock mechanics & mining sciences, 85: 60-66.

Takarli1, M., and Prince-Agbodjan1, W (2008) Temperature effects on physical properties and mechanical behavior of granite: experimental investigation of material damage. Journal of ASTM International, 5(3).

Yavuz, H., Demirdag, S., Caran, S (2012) Thermal effect on the physical properties of carbonate rocks. Int J Rock Mech Min Sci, 47: 94-103. 

Zhao, Z (2016) Thermal influence on mechanical properties of granite: A microcracking perspective. Rock Mech Rock Eng, 49: 747-762.