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目錄
序
前言
第1章 固體介質(zhì)宏細觀組構、結構與特性 1
1.1 巖石 1
1.1.1 巖石和礦物 1
1.1.2 巖石的分類類 1
1.1.3 決定巖石物理性質(zhì)的主要因素 2
1.2 巖石孔隙基本性質(zhì) 3
1.2.1 孔隙率與有效孔隙率 3
1.2.2 孔隙率、結構和排列 3
1.2.3 孔隙率的測定方法 4
1.2.4 比面 6
1.3 煤體孔隙的分布特征 8
1.3.1 煤體孔隙的成因分類 8
1.3.2 煤體孔隙的孔徑分類 8
1.3.3 高精度顯微CT試驗系統(tǒng) 9
1.3.4 煤體孔隙的空間分布狀態(tài) 10
1.4 幾類砂巖的孔隙分布 11
1.4.1 砂巖孔隙的CT掃描分析 11
1.4.2 粗、中、細砂巖中最大孔隙團空間隨機分布狀態(tài) 13
1.4.3 孔隙率對連通團數(shù)量和孔隙團表面積的影響 15
1.5 巖體裂縫的描述與統(tǒng)計分析 16
1.5.1 分類和定義 16
1.5.2 裂縫的基本參數(shù) 17
1.5.3 裂縫的測量 22
1.6 巖體裂縫系統(tǒng)二維分形分布規(guī)律 24
1.6.1 巖體裂縫分布的分形方法 24
1.6.2 巖體裂縫走向不分組的分形規(guī)律與無標度區(qū) 27
1.6.3 巖體裂隙走向分組的分形規(guī)律 29
1.6.4 二維裂縫分布的分形仿真 31
1.6.5 巖層裂縫數(shù)量分形分布相關規(guī)律 33
1.7 巖體裂縫面的三維分形分布 35
1.7.1 巖體裂縫面數(shù)量分布的三維分形分析方法 35
1.7.2 強隨機分布的裂縫面數(shù)量的三維分形分布規(guī)律 36
1.7.3 弱隨機分布的裂縫面數(shù)量服從三維分形分布規(guī)律 37
1.7.4 強隨機分布裂縫面數(shù)量二維與三維分形參數(shù)相關規(guī)律 38
第2章 流體的組構與特性 39
2.1 流體 39
2.1.1 流體的物理屬性 39
2.1.2 流體質(zhì)點的概念 39
2.1.3 流體的分類 40
2.2 流體的基本性質(zhì) 40
2.2.1 流體的密度 41
2.2.2 流體的黏度 42
2.2.3 流體的壓縮系數(shù) 44
2.3 地下水與含水層 45
2.3.1 垂直剖面上的地下水分布 45
2.3.2 含水層的分類 46
2.3.3 含水層的性態(tài) 47
2.4 石油、天然氣與煤層氣 48
2.4.1 石油與天然氣 48
2.4.2 煤層氣 56
2.5 超臨界流體 57
第3章 連續(xù)介質(zhì)理論與普遍的守恒定律 59
3.1 連續(xù)介質(zhì)理論 59
3.1.1 多孔介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì) 59
3.1.2 流體簡化作連續(xù)介質(zhì)的方法 60
3.1.3 多孔介質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)理論與方法 60
3.2 巖體介質(zhì)性態(tài)隨類 62
3.2.1 裂隙巖體的特征體積 62
3.2.2 巖石骨架介質(zhì)類型 63
3.3 多孔介質(zhì)中的流體輸運速度 64
3.3.1 多組分流體的質(zhì)量、體積平均速度 64
3.3.2 實質(zhì)導數(shù) 66
3.4 普遍的守恒定律 66
3.5 流體連續(xù)介質(zhì)的質(zhì)量、動量和能量守恒方程 68
第4章 流體在多孔介質(zhì)中的傳輸理論 72
4.1 不變形多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 72
4.1.1 基本連續(xù)性方程 72
4.1.2 不可壓縮流體滲流的控制方程 73
4.1.3 可壓縮流體滲流的控制方程 74
4.2 可壓密介質(zhì)中的質(zhì)量守恒 74
4.2.1 固體骨架的可壓縮性 74
4.2.2 只有垂向壓密的問題 75
4.2.3 三相與三維的壓密問題 76
4.3 承壓含水層和越流含水層中的流動 79
4.3.1 承壓含水層中的流動 79
4.3.2 越流含水層中的流動 80
4.4 流函數(shù)與勢函數(shù) 81
4.5 初邊值條件 84
4.5.1 解的適定性問題 84
4.5.2 給定勢的邊界 85
4.5.3 給定通量的邊界 86
4.6 裂隙巖體的滲流模型 87
4.6.1 裂隙網(wǎng)絡滲流模型 87
4.6.2 擬連續(xù)介質(zhì)滲流模型 90
第5章 固體力學基礎 92
5.1 應力分析及應力平衡方程 92
5.1.1 應力 92
5.1.2 應力平衡微分方程 93
5.1.3 斜面上的應力 94
5.1.4 主應力 95
5.2 應變分析及變形協(xié)調(diào)方程 96
5.2.1 應變 96
5.2.2 應變分量的坐標變換式 97
5.2.3 變形協(xié)調(diào)方程 98
5.3 應力與應變關系 98
5.4 彈性力學問題的數(shù)學模型及解法 101
5.4.1 數(shù)學模型 101
5.4.2 彈性力學問題的解法 102
5.4.3 圣維南原理與疊加原理 102
5.5 彈性力學的平面問題 103
5.5.1 平面應變問題 103
5.5.2 平面應力問題 103
第6章 傳熱學 105
6.1 熱量傳輸概述 105
6.1.1 熱量傳輸方式 105
6.1.2 傳熱過程與傳熱系數(shù) 105
6.2 熱傳導定律與理論 106
6.2.1 導熱基本定律 106
6.2.2 導熱控制方程 107
6.3 對流傳熱定律與理論 109
6.3.1 對流換熱概述 109
6.3.2 對流換熱的控制方程 109
6.3.3 對流換熱的邊界層微分方程 110
6.4 熱輻射基本定律 112
第7章 傳質(zhì)理論 114
7.1 傳質(zhì)的基本方式與傳遞定律 114
7.1.1 傳質(zhì)理論的早期發(fā)展 114
7.1.2 擴散傳質(zhì) 115
7.1.3 擴散傳質(zhì)的速度與通量 115
7.1.4 對流傳質(zhì) 119
7.2 傳質(zhì)微分方程 120
7.2.1 傳質(zhì)的質(zhì)量守恒方程 120
7.2.2 傳質(zhì)微分方程的特例 123
7.2.3 傳質(zhì)問題的初邊界條件 124
7.3 氣體、液體與固體中的擴散系數(shù) 125
7.3.1 氣體中的擴散系數(shù) 125
7.3.2 液體與固體中的擴散系數(shù) 126
第8章 熱力學與反應動力學 128
8.1 熱力學基礎 128
8.1.1 熱力學狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù) 128
8.1.2 熱力學定律 129
8.1.3 熱力學基本方程 131
8.1.4 偏摩爾量和化學勢 132
8.2 化學平衡和相平衡 132
8.2.1 化學平衡 132
8.2.2 相平衡 134
8.3 化學反應動力學 137
8.3.1 反應速率方程 137
8.3.2 典型復雜反應 138
8.3.3 溫度對反應速率的影響 140
第9章 逾滲理論 142
9.1 逾滲現(xiàn)象 142
9.2 單純孔隙介質(zhì)的逾滲 143
9.2.1 定義與方法 143
9.2.2 二維孔隙介質(zhì)逾滲規(guī)律 144
9.2.3 三維孔隙介質(zhì)逾滲規(guī)律 145
9.3 孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲 146
9.3.1 孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲研究方法 146
9.3.2 二維單一裂隙多孔介質(zhì)的逾滲規(guī)律 147
9.3.3 二維孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲規(guī)律 148
9.3.4 三維孔隙裂隙雙重介質(zhì)逾滲模型 150
9.3.5 三維孔隙裂隙雙重介質(zhì)逾滲規(guī)律模擬研究 151
9.4 煤體瓦斯逾滲機理 153
9.4.1 二維孔隙介質(zhì)連通團分布規(guī)律與滲流機理 154
9.4.2 二維孔隙裂隙雙重介質(zhì)連通團分布規(guī)律與逾滲機理 155
9.5 油頁巖熱解的逾滲研究 156
9.5.1 油頁巖孔隙結構隨溫度的變化規(guī)律 156
9.5.2 不同熱解溫度下油頁巖孔隙結構的三維逾滲規(guī)律 158
第10章 連續(xù)介質(zhì)理論的離散分析方法 165
10.1 離散分析的發(fā)展 165
10.2 有限差分法 166
10.3 有限元法 168
第11章 多孔介質(zhì)多場耦合作用的本構規(guī)律 171
11.1 巖石的基本力學特性 171
11.1.1 巖石的全程應力應變曲線 171
11.1.2 三軸應力下巖石的特性 173
11.1.3 巖石的破壞機制與強度準則 174
11.1.4 不連續(xù)面性狀 176
11.2 巖體滲流的物性方程 177
11.2.1 線性滲流的物性方程 177
11.2.2 裂隙介質(zhì)中的流動定律 181
11.3 流固耦合作用下滲流規(guī)律 183
11.3.1 應力與孔隙壓作用的滲流特征 183
11.3.2 體積應力與孔隙壓共同作用下的滲流規(guī)律 183
11.3.3 體積應力、剪應力與孔隙壓對煤體滲透性的影響 185
11.3.4 三維應力下側向應力對裂縫滲透系數(shù)影響的實驗與理論分析 188
11.3.5 蠕變、破裂等不可恢復變形下的滲透性變化研究 191
11.3.6 巖石細觀滲流規(guī)律的研究 192
11.3.7 吸附性氣體的滲流規(guī)律 194
11.3.8 三維應力作用下裂縫中氣體滲流規(guī)律 196
11.3.9 氣液二相流體滲流規(guī)律 198
11.4 有效應力規(guī)律 199
11.5 流體作用下的巖體特性 202
11.5.1 水對巖體性態(tài)的影響 202
11.5.2 孔隙瓦斯對煤體特性的影響 207
11.6 THMC耦合作用特性試驗機研制 208
11.7 熱力（TM)耦合作用特性 211
11.7.1 高溫下巖石的力學特性 211
11.7.2 巖石的熱學特性 217
11.8 THM耦合作用下巖石滲透特征 220
11.9 THMC耦合作用的本構規(guī)律 222
11.9.1 氣煤熱解的THMC耦合作用本構規(guī)律 222
11.9.2 鈣芒硝鹽巖溶解滲透力學特性 227
第12章 多孔介質(zhì)多場耦合作用的理論架構 231
12.1 理論架構 231
12.2 多孔介質(zhì)多場耦合作用的機理分析 232
12.2.1 其他物理場對固體介質(zhì)性態(tài)的影響 232
12.2.2 其他物理場對滲流的影響 233
12.2.3 其他物理場對熱量傳輸特性的影響 233
12.2.4 其他物理場對傳質(zhì)特性的影響 234
12.3 多孔介質(zhì)多場耦合作用的耦合數(shù)學模型 234
12.4 解耦策略與方法 235
第13章 固體變形與液體滲流耦合作用及其應用 237
13.1 連續(xù)介質(zhì)固體變形與水滲流耦合作用模型及解法 237
13.1.1 數(shù)學模型 237
13.1.2 連續(xù)介質(zhì)巖體水力學模型的有限元解法 238
13.2 擬連續(xù)介質(zhì)巖體水力學模型 239
13.3 裂隙介質(zhì)巖體水力學模型 240
13.4 煤層注水工程 241
13.4.1 煤體滲透特性分類 241
13.4.2 煤層注水防治沖擊地壓工程 243
13.4.3 煤層注水防治煤塵 244
13.4.4 煤層注水軟化中硬煤試驗放頂煤開采 245
13.5 承壓水上采煤的裂隙介質(zhì)固流耦合理論 247
13.5.1 帶壓開采三維裂隙介質(zhì)固流耦合數(shù)學模型 247
13.5.2 帶壓開采數(shù)值模擬 248
13.5.3 頂板圍巖應力的分布規(guī)律 249
13.5.4 底板圍巖應力分布規(guī)律 250
13.5.5 底板圍巖位移分布規(guī)律 252
13.5.6 太原組含水層水位隨工作面開釆的變化規(guī)律 253
13.6 固流耦合相似模擬理論與技術 254
13.6.1 固流耦合相似理論 255
13.6.2 固流耦合相似材料配制 256
13.6.3 三維固流耦合模擬試驗設備 256
13.6.4 帶壓開釆固流耦合模擬試驗研究 259
13.7 邊坡穩(wěn)定性分析 265
13.8 水庫誘發(fā)地震 267
13.9 開采地下水引起的地面沉降 269
第14章 巖體變形與氣體滲流耦合作用與應用 271
14.1 煤層瓦斯?jié)B流研究進展 271
14.2 擬連續(xù)介質(zhì)煤體-瓦斯耦合作用數(shù)學模型 272
14.2.1 煤體瓦斯耦合理論的物理基礎 272
14.2.2 瓦斯?jié)B流方程 273
14.2.3 可變形多孔介質(zhì)的運動方程 274
14.2.4 固氣耦合數(shù)學模型 274
14.3 固體變形與氣體滲流耦合數(shù)學模型的數(shù)值解法 275
14.3.1 瓦斯?jié)B流方程的線性近似 276
14.3.2 瓦斯?jié)B流方程的泛函及離散 277
14.3.3 固體變形方程的泛函及離散 278
14.4 煤礦鉆孔抽放瓦斯的數(shù)值分析 280
14.4.1 試驗區(qū)概況及模型簡化 280
14.4.2 鉆孔抽放瓦斯的數(shù)值實驗 283
14.5 裂隙介質(zhì)巖體變形與氣體滲流的耦合數(shù)學模型 284
14.5.1 物理基礎 284
14.5.2 氣體滲流方程 285
14.5.3 數(shù)值解法 287
14.5.4 瓦斯抽放的數(shù)值模擬 289
14.6 水力割縫改造低滲透煤層的理論與應用 292
14.6.1 強化低滲透煤層瓦斯抽放的技術原理 292
14.6.2 水力割縫抽放瓦斯的技術原理 293
14.6.3 水力割縫抽放瓦斯的數(shù)值分析 294
14.6.4 水力割縫成套裝備的研制 297
14.6.5 水力割縫強化本煤層瓦斯抽放的工業(yè)試驗 297
第15章 氣液二相流體滲流與固體變形耦合作用與應用 300
15.1 概述 300
15.2 裂縫中氣液二相流體滲流的混沌現(xiàn)象與混合介質(zhì)滲流模型 300
15.2.1 氣液二相流體的混合滲流數(shù)學模型 301
15.2.2 裂縫中氣液二相流體滲流的數(shù)值模擬 303
15.2.3 裂縫中氣液二相流體滲流模擬實驗 305
15.3 擬連續(xù)介質(zhì)氣液二相流體滲流與固體變形的耦合數(shù)學模型 307
15.4 氣液二相流體固流耦合作用的工程響應 308
第16章 固熱耦合作用與應用 311
16.1 固熱耦合數(shù)學模型與工程應用分析 311
16.1.1 數(shù)學模型 311
16.1.2 凍結法鑿井的固熱耦合分析 312
16.1.3 耦合分析方法 313
16.1.4 固熱耦合分析實例 314
16.2 巖石的熱破裂分析 316
16.2.1 熱破裂機理分析 316
16.2.2 花崗巖顆粒尺寸分析 317
16.2.3 500℃下花崗巖的高溫熱破裂特征分析 317
16.2.4 加熱過程中花崗巖的熱破裂演化 319
16.2.5 花崗巖熱破裂特征 320
16.3 巖石熱破裂門檻值的數(shù)值實驗 320
16.3.1 平面隨機非均質(zhì)熱彈塑性力學模型 320
16.3.2 數(shù)值實驗方法 321
16.3.3 巖石熱破裂門檻值的數(shù)值實驗研究 322
16.4 隨機介質(zhì)固熱耦合數(shù)學模型與應用分析 323
16.4.1 基本假設 323
16.4.2 隨機介質(zhì)固熱耦合數(shù)學模型 323
16.4.3 數(shù)值實驗模型 324
16.4.4 韋伯分布下巖石熱破裂 325
16.4.5 指數(shù)分布下巖石熱破裂 327
第17章 固流熱耦合作用與地熱開采和核廢料處置 330
17.1 裂隙介質(zhì)固流熱耦合數(shù)學模型與求解 330
17.1.1 物理基礎 330
17.1.2 裂隙介質(zhì)固流熱耦合數(shù)學模型 331
17.1.3 求解策略與計算程序設計 335
17.2 高溫巖體地熱開采的數(shù)值實驗 336
17.2.1 數(shù)值試驗的模型簡化 336
17.2.2 地熱開釆過程中熱能遷移規(guī)律 338
17.2.3 地熱開采過程中裂縫水壓及寬度變化規(guī)律 340
17.2.4 裂縫面溫度、應力隨開釆時間的變化規(guī)律 342
17.2.5 裂縫寬度隨開釆時間的變化規(guī)律 346
17.2.6 出力與壽命的研究 346
17.3 核廢料處置的固流熱耦合分析 348
17.3.1 FEBEX原位試驗THM耦合數(shù)值模擬 348
17.3.2 DECOVALEX計劃的BMT1模型的THM耦合數(shù)值模擬 349
第18章 巖體控制壓裂 351
18.1 經(jīng)典水力壓裂法及其地應力測量 351
18.1.1 壓裂方法 351
18.1.2 理論分析 352
18.1.3 試驗資料 354
18.1.4 經(jīng)典水力壓裂裂縫的擴展規(guī)律 356
18.1.5 水力壓裂的剪切破裂機理 358
18.2 地面鉆孔控制壓裂的應用 359
18.2.1 煤層氣開釆 360
18.2.2 水壓致裂法地下處置核廢料 361
18.2.3 高溫巖體地熱開釆的巨型水力壓裂 365
18.3 鹽類礦床壓裂-溶解理論域用 366
18.3.1 鹽類礦床壓裂-溶解理論 366
18.3.2 水壓致裂形成水平裂縫的機理 369
18.3.3 芒硝礦開采的群井致裂工業(yè)實施 369
第19章 極不完全熱解反應的熱流固化學耦合作用及油頁巖油氣開采 373
19.1 引言 373
19.2 油頁巖原位開采技術 374
19.3 油頁巖原位注蒸汽開采的熱流固耦合數(shù)學模型 375
19.3.1 基本假設 375
19.3.2 氣液兩相混合物滲流方程 376
19.3.3 熱量傳輸方程 378
19.3.4 巖體變形方程 379
19.3.5 油頁巖原位注蒸汽開釆的熱流固耦合數(shù)學模型 379
19.4 油頁巖原位注蒸汽開采的熱流固耦合數(shù)學模型的數(shù)值解法 380
19.5 油頁巖原位注蒸汽開采油氣的數(shù)值模擬 381
19.5.1 水蒸氣、水及油頁巖物理參數(shù) 381
19.5.2 計算模型簡化 382
19.5.3 數(shù)值模擬結果及分析 383
第20章 較完全熱解反應的THMC耦合作用與礦物開采 390
20.1 煤炭地下氣慨采 390
20.2 煤炭地下氣化空間THC耦合作用分析 391
20.3 煤炭地下氣化煤體THM耦合作用分析 393
20.4 煤炭地下氣化采場圍巖熱力耦合作用分析 394
20.4.1 氣化釆場煤體圍巖熱力耦合數(shù)學模型 394
20.4.2 氣化采場圍巖溫度場數(shù)值模擬 394
20.4.3 煤炭地下氣化采場礦山壓力分布規(guī)律的數(shù)值模擬 396
20.5 天然氣水合物開采 400
20.5.1 天然氣水合物 400
20.5.2 開釆方法 400
20.5.3 天然氣水合物減壓法開采的數(shù)學模型 401
20.5.4 減壓法開采天然氣水合物的數(shù)值模擬 402
第21章 較完全溶解反應的THMC耦合作用與鹽礦水溶開采 405
21.1 引言 405
21.2 鹽類礦床水溶開采機理 406
21.2.1 鹽礦水溶機理 406
21.2.2 鹽類礦物的溶解特性 407
21.2.3 水溶開釆的動力學原理 408
21.3 水溶開采固流熱傳質(zhì)耦合數(shù)學模型 409
21.3.1 流體運移方程 409
21.3.2 固體變形及裂縫變形方程 411
21.3.3 溶質(zhì)擴散方程 412
21.3.4 溶腔中化學流體的熱傳輸方程 412
21.3.5 水溶開采固流熱傳質(zhì)耦合數(shù)學模型 413
21.4 鹽礦水溶開采的THMC耦合作用的數(shù)值模擬 414
21.4.1 雙井對流水溶開釆的數(shù)值模擬 414
21.4.2 群井控制水溶開采數(shù)值模擬 418
21.5 芒硝礦群井致裂控制水洛開采技術及應用 421
21.5.1 群井致裂控制水溶開釆的技術原理 421
21.5.2 運城鹽湖芒硝礦區(qū)地質(zhì)簡介 422
21.5.3 群井致裂連通的工業(yè)實施 422
21.5.4 群井控制水溶開采實施 423
第22章 極不完全溶解反應的THMC耦合作用與溶浸采礦 426
22.1 引言 426
22.2 極不完全溶解反應動力學與物化實驗 426
22.2.1 街芒硝礦溶解機理分析 426
22.2.2 鈣芒硝礦溶解實驗研究 428
22.2.3 溶解傳輸?shù)念w粒模型 428
22.3 鈣芒硝礦床原位水溶開采的HMC耦合數(shù)學模型 430
22.3.1 HMC耦合數(shù)學模型 430
22.3.2 鈣芒硝礦床原位水溶開釆的數(shù)值模擬 431
22.3.3 數(shù)值模擬結果 431
22.4 鈣芒硝礦群井致裂壓力浸泡原位水溶開采的工業(yè)試驗 433
22.4.1 鈣芒硝礦的原位溶浸開采方法 433
22.4.2 群井致裂實施 434
22.4.3 耗芒硝礦壓力浸泡原位溶采 435
22.5 金屬礦的溶浸開采 436
22.5.1 鈾社礦的資源特征 436
22.5.2 鈾礦的堆浸 437
22.5.3 鈾礦的原位溶浸開采 439
22.5.4 銅礦的原位溶浸開釆 439
參考文獻 441
附錄 463