岩石导热系数定量化分析

乔宇

(中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

引言

导热性质是岩石重要的物理性质之一，其在地热能开发及岩土热工程应用中有着重要意义。岩土体的热物性参数，如导热系数、体积比热容是表征岩土体传热性质的主要参数。岩土热物性参数受多因素影响，国内外学者针对岩土体的热物性参数开展了大量研究。

岩石的导热系数由固相、液相、气相三部分组成，其中液相及气相为岩石孔隙中含水状态的差异，固相成分对导热系数的影响主要为岩石本身组构方面的影响，主要涉及到岩石的颗粒组分、粒径及填隙物。砂岩大多由颗粒较大的矿物通过某种胶结形式形成，颗粒之间存在大量填隙物，结构较复杂，因此在考虑其固相差异时应对其填隙物成分及含量、颗粒组分及颗粒粒径进行分析。

1 实验与分析

已有研究表明，矿物颗粒的粒径对其导热系数有较大的影响，随着颗粒粒径减小，矿物导热系数呈现出逐渐减小的趋势，根据前人研究结果，矿物颗粒导热系数与粒径之间存在如下图所示的关系：

图1 颗粒粒径与导热系数关系

其中λ为不同粒径矿物粉末的导热系数；

λ0为矿物单晶状态下的导热系数；

根据上图所示，将岩石颗粒粒径分为砂级颗粒及填隙物两个部分，颗粒粒径统计结果显示，所测样品砂级粒径大部分在0.1mm左右，因此将λ/λ0设为0.75，而填隙物的矿物颗粒多为隐晶质，粒径极小，设为0.001—0.05mm，λ/λ0取0.25。

通过X射线荧光光谱分析(XRF)准确地对构成岩石的元素组分进行分析，并结合XRD实验对矿物成分定量化，并通过薄片鉴定可以判断出岩石砂级颗粒几乎全部为石英和长石，将岩石矿物组分中砂级颗粒矿物的石英及长石组分除去，剩下的即为填隙物的矿物组成。可根据岩石矿物成分及所占比例判断出填隙物中各矿物物质含量，结果如下表所示：

将不同粒径矿物颗粒的导热系数与岩石物质组成相结合，并在考虑岩石孔隙率的基础上将岩石导热系数构成分为三个部分，即：填隙物、矿物颗粒、孔隙，干燥条件下岩石孔隙中不含水，仅有空气，而空气导热系数过小，可认为导热系数为0，则各组分导热系数加权平均数情况如下：

表2 岩石各组分导热系数

由上表可知，岩石的导热系数并不是由简单的各组分加权后的算术平均值叠加而构成，编号为1和4的岩石导热系数加权计算值大于编号2的岩石，但实测数据显示编号为2的岩石导热系数反而大于1号及4号岩石的导热系数。各组分对岩石的导热系数影响不同，而结合四块岩石的孔隙率可以看出，孔隙率的不同对岩石导热系数影响较大。在传热过程中，孔隙的存在不仅对热传导没有帮助，而且还会形成较大的热阻，阻碍热传递过程。

通过填隙物中石英含量与岩石导热系数的对比可以发现，岩石导热系数主要受填隙物中石英含量的影响，随着填隙物中石英含量的增加，岩石导热系数逐渐增大。

图2 填隙物及孔隙中石英所占比例与与导热系数关系

为了确定岩石各组分对岩石整体导热系数的影响系数，对表中数据进行加权算式拟合，拟合公式为：

(5-1)

其中为岩石的导热系数，为填隙物的导热系数加权值，为岩石砂级碎屑的导热系数加权值，为岩石的孔隙率，a、b、c分别为各组分对岩石导热系数的影响系数。计算结果如下：

表3 影响系数拟合结果

通过拟合结果可知，岩石各组分对导热系数的影响系数不同，结合各组分物质的导热系数可以得出以下结论：

1.岩石的填隙物虽然导热系数较小，但其影响系数最大，作为连接矿物颗粒骨架的主要物质，主要在高导热的矿物颗粒间起“热桥”作用，对传热过程有较大影响，不同的胶结类型、杂基成分对导热系数影响较大。岩石的填隙物中石英占比越高的岩石导热系数越高。

2.陆源碎屑岩的的碎屑颗粒主要为石英和长石，有较高的导热系数，在传热过程中主要承担热传递作用，是传热过程的主体骨架，但矿物颗粒间有较大的接触热阻，热流在颗粒接触面的热流收缩使得良好导热性能的矿物颗粒对岩石导热系数的影响系数反而最小。但碎屑颗粒对岩石导热系数的贡献最大。

3.岩石的孔隙率对导热系数有很大影响，孔隙的存在使得岩体中矿物颗粒之间相互分离，形成极大的接触热阻，影响热传导，因此孔隙率的微小差别即可造成导热系数较大的差异。

2 结论

填隙物、砂级颗粒、岩石孔隙率对导热系数都有较大影响，不同物质的导热系数对陆源碎屑岩导热系数的影响系数不同，其中孔隙率影响系数最大，砂级颗粒的影响系数最小，但砂级颗粒对岩石导热系数的贡献最大。

参考文献：

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