Рассмотрены основы термодинамики горных пород. Приведены сведения об изменении их свойств в зависимости от температуры. Описаны процессы теплообмена и распространения тепла в горных породах. Изложены физическая сущность и технология различных процессов горного производства с использованием теплового воздействия на массив горных пород или горную массу.
Для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного производства».
Табл. 16, ил. 107, список лит. — 15 назв.
Предисловие
Основными направлениями экономического и социального.развития СССР на 1981—1985 гг. и на период до 1990 г. предусмотрено создание и внедрение в производство принципиально новой техники, материалов и прогрессивной технологии. Применительно к горнодобывающим отраслям промышленности это означает, что необходимо всемерно развивать нетрадиционные способы добычи полезных ископаемых, применять принципиально новые способы разрушения горных пород с использованием различных физических полей, вовлекать в переработку считавшиеся ранее забалансовыми запасы полезных ископаемых и т. п.
В настоящее время процессы тепло- и массообмена, процессы агрегатных и фазовых превращений в минералах и породах при тепловом воздействии, окислительно-восстановительные процессы с выделением или поглощением тепла, а также многие другие термодинамические процессы являются сопутствующими при различных технологических процессах добычи и переработки полезных ископаемых. С развитием геотехнологических способов разработки месторождений и увеличением требований к качеству горного сырья тепловые процессы все в большей степени будут переходить из разряда сопутствующих в разряд чисто технологических. Уже сейчас требуется специальная инженерная подготовка при решении вопросов использования тепла земных недр, теплообмена при проветривании горных выработок на больших глубинах и в зонах многолетней мерзлоты, фазовых и агрегатных превращений при проведении горных выработок с использованием замораживания пород, обезвоживания горной массы, обжига окатышей и агломерата, подземной выплавки серы и подземной газификации твердого топлива, термического, электротермического и комбинированного способов разрушения горных пород при бурении шпуров и скважин, проведении выработок, дроблении, резании и поверхностной обработке блочного камня, бесконтактной термодинамической очистки добычного и транспортного оборудования от налипшей и намерзшей горной массы, оттаивания и предотвращения промерзания рыхлых и связных пород при открытой разработке и многих других.
Настоящий учебник, являющийся частью учебного комплекса «Физические процессы горного производства», подготовлен в соответствии с программой, утвержденной Учебно-методическим управлением по высшему образованию Минвуза СССР, и построен таким образом, чтобы на базе курсов физики и математики будущий горный инженер смог самостоятельно выполнить расчет параметров различных тепловых процессов горного производства. По каждому из рассматриваемых термодинамических процессов горного производства приведены сведения о его механизме, параметрах, технике и технологии.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................. 3"
Раздел первый. Основы термодинамики горных пород...... &
Глава 1. Основные законы термодинамики......... 5
§ 1. Термодинамические системы и их параметры...... 5-
§ 2. Внутренняя энергия и внешняя работа. Первый закон термодинамики ................ 7
§ 3. Термодинамические процессы.......... Ю'
§ 4. Энтальпия и энтропия............ Ч
§ 5. Возрастание энтропии в необратимых процессах. Второй и
объединенный законы термодинамики........ '3
§ 6. Термодинамическая вероятность......... 14
Глава 2. Фазовые переходы в горных породах........ I&
§ 7. Общие сведения о фазовых переходах....... 16
§ 8. Основные уравнения термодинамики фазовых переходов . . 20 § 9. Фазовые переходы при неодинаковом давлении фаз ... 22 § 10. Давление в сосуществующих фазах при искривленной поверхности их раздела............. 23
Глава 3. Основы химической термодинамики......... 26
§ 11. Тепловые эффекты химических реакций....... 26
§ 12. Закон Гесса.............. 27
§ 13. Уравнение Кирхгофа............ 28
Глава 4. Тепловые свойства твердых тел.......... 30
§ 14. Теплоемкость.............. 3&
§ 15. Тепловое расширение однородных твердых тел..... 32
§ '16. Тепловое расширение неоднородных твердых тел .... 34
§ 17. Теплопроводность............. 36
Глава 5. Изменение свойств горных пород в зависимости от температуры 37
§ 18. Теплоемкость, тепло- и температуропроводность .... 37 § 19. Тепловое расширение и остаточные температурные деформации в горных породах........... 40
§ 20. Упругие свойства............. 44
§ 21. Прочностные свойства........... 47
§ 22. Электрические и магнитные свойства....... 51
§ 23. Изменение комплексов физических свойств горных пород в зависимости от температуры.......... 54
Раздел второй. Тепломассоперенос........... 56
Глава 6. Потоки жидких и газовых теплоносителей....... 56
§ 24. Уравнение первого закона термодинамики для потока ... 56
§ 25. Основные уравнения процессов течения жидкости и газа . . 58
§ 26. Сопло Ловаля.............. 59
§ 27. Температура адиабатного торможения потока..... 61
Глава 7. Распространение тепла в горных породах....... 62
§ 28. Основной закон теплопроводности ........ 62
§ 29. Дифференциальное уравнение теплопроводности .... 63
§ 30. Краевые условия............. 67
§ 31. Источники тепла............. 69
§ 32. Тепловые режимы............. 70
309
Глава 8. Теплообмен в горных породах..........
§ 33. Критерии подобия в термодинамике.......
§ 34. Физический смысл критериев и пределы их изменений
§ 35. Методы расчета основных параметров тепловых процессов
§ 36. Виды теплоносителей и теплообмена.......
§ 37. Пограничный слой и механизм конвективного теплообмена
§ 38. Определение термодинамических параметров теплоносителей
Глава 9. Методы расчета параметров нагрева горных пород ....
§ 39. Нагрев горных пород по поверхности полуограниченного
пространства ..............
§ 40. Нагрев горных пород по поверхности цилиндрической полости § 41. Нагрев горных пород по поверхности сферической полости
§ 42. Нагрев кусков горных пород в виде шара......
Раздел третий. Термодинамические процессы горного производства . .
Тлава 10. Тепло земных недр.............
§ 43. Термодинамические параметры земной коры.....
§ 44. Источники тепла земных недр.........
§ 45. Процессы теплоп.реноса в недрах Земли......
§ 46. Использование тепла земных недр........
Тлава 11. Теплообмен в горных выработках..........
§ 47. Требования к тепловому режиму в подземных выработках § 48. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных
горных работ..............
§ 49. Коэффициенты теплообмена между стенками выработок и
рудничным воздухом............
§ 50. Источники тепла в подземных выработках......
§ 51. Методы нормализации температурного режима рудничного
воздуха...............
Тлава 12. Промерзание связных пород при открытой разработке . . . § 52. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами ...............
§ 53. Месячные колебания температуры внешней среды . . . .
§ 54. Расчет глубины промерзания связных пород.....
§ 55. Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий........
§ 56. Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия.......
§ 57. Технология получения теплоизоляционных покрытий . . . Тлава 13. Замораживание пород при строительстве подземных сооружений
и шахт................
§ 58. Сущность способа и область его применения.....
§ 59. Формирование одиночного ледопородного цилиндра . . .
§ 60. Образование ледопородных ограждений.......
§ 61. Температурное поле при образовании ледопородных ограждений
Тлава 14. Подземная выплавка серы (ПВО).........
§ 62. Свойства серы и серных руд..........
§ 63. Принцип и условия применения ПВС.......
§ 64. Тепловой баланс при ПВС..........
§ 65. Параметры процесса ПВС..........
§ 66. Техника и технология подготовки и эксплуатации серодобыч-
ных скважин..............
Тлава 15. Подземная газификация твердого топлива......
§ 67. Свойства угля как сырья для подземной газификации . . -310
§ 68. Частичная и полная газификация угля....... 16
§ 69. Физико-химические основы подземной газификации угля . . 16i
§ 70. Технологические основы полной газификации угля .... 16:
§ 71. Распределение температуры по длине канала газификации 17
§ 72. Технологические параметры канала газификация .... 17!
§ 73. Проходка канала газификации......... 17'
§ 74. Технология и показатели подземной газификации угля . . 17^
Глава 16. Огневое бурение и расширение скважин в скальных породах 17В
§ 75. Физическая модель процесса.......... 17?
§ 76. Поле температур и напряжений в породе...... 18$
§ 77. Моделирование процесса потери устойчивости..... 18Е
§ 78. Расчет параметров процесса огневого бурения горных пород 187
§ 79. Условия термического разрушения горных пород .... 190
§ 80. Влияние нарушенное™ массива на показатели огневого бурения 191 § 81. Расчет скорости бурения в трудно термобуримых горных
породах ............... 192
§ 82. Параметры термического расширения скважин..... 193
§ 83. Основные типы горелок для огневого бурения и расширения
взрывных скважин............ 195
§ 84. Тепловой и газодинамический расчет термобуров . . . . 199 § 85. Техника и технология огневого бурения и расширения взрывных скважин.............. 202'
Глава 17. Термическое дробление, резание и обработка блочного камня 210
§ 86. Сущность способов............ 210'
§ 87. Поле температур и напряжений при термическом дроблении
блочного камня............. 21Г
§ 88. Расчет процессов термического резания и обработки блочного камня.............. 2141
§ 89. Выбор оптимального угла встречи газовой струи с породой
при термическом резании и обработке блочного камня . . 215
§ 90. Параметры, техника и технология........ 219'
Глава 18. Бурение скважин в скальных породах при знакопеременном
тепловом воздействии ............ 222'
§ 91. Особенности хрупкого разрушения трудно термобуримых пород 222' § 92. Теплообмен с породой при знакопеременном тепловом воздействии.............. . 224-
§ 93. Поле температур в горной породе при знакопеременном тепловом воздействии ........ ..... 226-
§ 94. Напряженное состояние горных пород при воздействии на них
знакопеременного температурного источника ..... 229<
§ 95. Расчет скорости бурения при знакопеременном тепловом воздействии ...............231'
§ 96. Бурение трещиноватых пород при знакопеременном тепловом воздействии.............233;
§ 97. Выбор хладоагента и его параметров.......236-
§ 98. Техника и параметры бурения скважин при знакопеременном
тепловом воздействии............238;
'лава 19. Термодинамическое разрушение талых и мерзлых пород при их
разработке и транспортировании ......... 240*
§ 99. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород . . .."............ 240'
§ 100. Намерзание горной массы на металлические поверхности
добтячного и транспортного оборудования...... 24 Г
§ 101. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород 248; § 102. Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и
связных пород............. 2501*
31Е
§ 103. Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных
пород путем оттаивания и абляции....... 252
§ 104. Термодинамическая очистка конвейерных лент от налипшей
горной массы.............. 258
•§ 105. Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании 261
Глава 20. Термомеханическое бурение скальных пород...... 268
§ 106. Общие сведения о процессе термомеханического бурения 268 § 107. Основные закономерности термомеханического бурения . . 270 § 108. Основные закономерности бурения при использовании двухфазных теплоносителей ........... 273
§ 109. Техника тер'момеханичесвого -бурения и показатели ее работы 274
if лава 21. Процессы сушки горной массы......... 277
§ 110. Виды воды в горной массе.......... 277
§ 111. Условия протекания процессов сушки....... 278
§ 112. Тепло- и массообмен при сушке горной массы .... 280 § ИЗ. Уравнения тепло- и массообмена при сушке горной массы
и их решения.............. 281
§ 114. Поверхностное подсушивание кусков горной массы . . . 284
§ 115. Техника и технология сушки горной массы..... 286
Глава 22. Термодинамические процессы при обогащении полезных ископаемых ................ 290
§ 116. Необходимость окускования руд и концентратов .... 290
§ 117. Термообработка брикетов.......... 291
§ 118. Агломерация руды и обжиг окатышей....... 292
§ 119. Восстановительные и окислительные процессы при агломерации и обжиге окатышей из железосодержащих руд и концентратов ............... 296
§ 120. Окислительные процессы при агломерации свинцовых, цинковых, медных и никелевых руд......... 297
§ 121. Магнетизирующий обжиг руд......... 299
Список литературы................ 301
Приложения................. 302
Алфавитный указатель............... 306
Цена: 300руб.
