煤岩体蠕变渗透特性及渗流失稳机理

本书是一部介绍煤岩体蠕变渗透特性及渗流失稳机理的专著，全书共7章。在系统介绍煤岩体渗透特性及强度理论的基础上，从煤岩体力学特性入手，自主研发破碎岩石三轴渗流试验系统，开展侧限条件下破碎煤岩体渗透特性研究、煤岩体变形与渗流时间效应研究及三轴应力状态下煤岩渗透特性研究，分析不同工况下煤岩体的渗流规律。在此基础上，建立煤岩体流固耦合渗流动力学模型，并利用解耦方法化简动力学模型，得到煤岩体发生渗流失稳的条件及失稳的临界压力梯度值。最后通过数值计算方法对所构建的动力学模型进行求解与验证。本书可共从市岩体渗流力学、岩石力学、采矿工程、岩土工程及水文地质工程等相关专业的高等学校教师及研究生、科研院所的研究人员使用，也可作为相关专业的研究生教材或参考书。

前言
第1章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2煤岩力学特性研究现状2
1.2.1单轴压缩下煤岩力学特性研究现状2
1.2.2三轴压缩下煤岩力学特性研究现状5
1.2.3煤岩蠕变力学性质研究现状7
1.3煤岩渗透特性研究现状10
1.3.1煤岩渗流试验研究现状10
1.3.2煤岩体变形与渗流时间效应研究现状12
1.3.3煤岩渗流理论研究现状13
第2章煤岩体强度理论及试验18
2.1煤岩体强度理论18
2.1.1煤岩体单轴强度及变形特性18
2.1.2煤岩三轴强度及变形特性20
2.1.3煤岩的破坏机理22
2.1.4煤岩的强度理论23
2.2煤岩蠕变的基本概念31
2.3煤岩蠕变的基本模型33
2.3.1基本元件模型33
2.3.2Maxwell模型33
2.3.3Kelvin模型35
2.3.4Kelvin-Voigt模型37
2.3.5Burgers模型39
2.4煤岩单轴压缩试验42
2.4.1试验条件42
2.4.2试验系统42
2.4.3单轴压缩试验结果42
2.5煤岩三轴压缩试验44
2.5.1三轴压缩试验概述44
2.5.2三轴压缩试验结果及分析45
2.6煤岩破坏过程中声发射特性试验47
2.6.1试验设备及试验原理47
2.6.2煤岩蠕变过程中声发射特性48
2.7煤岩蠕变力学性质56
2.7.1单级加载下煤岩蠕变试验56
2.7.2分级加载下煤岩蠕变试验58
第3章煤岩渗流基本概念及试验系统研制62
3.1煤岩渗流的基本概念62
3.1.1孔隙率62
3.1.2孔隙比62
3.1.3比面63
3.1.4渗流速度Dupuit-Forchheimer关系式63
3.1.5渗透率与渗透系数64
3.2Darcy定律65
3.3非Darcy渗流67
3.4渗流基本方程70
3.4.1流体压缩与膨胀系数-状态方程70
3.4.2多孔介质的压缩系数-状态方程71
3.4.3连续性方程71
3.5煤岩渗流试验系统研制背景及意义72
3.6试验系统的设计73
3.6.1试验系统的构成73
3.6.2试验系统的组装74
3.7破碎岩石三轴渗流试验方法75
第4章侧限条件下破碎煤岩渗透特性79
4.1破裂岩样渗透特性试验79
4.1.1试验原理80
4.1.2圆形薄板制备及试验方法86
4.1.3试验结果与现象分析88
4.2破碎岩样渗透特性试验92
4.2.1多种矿物成分破碎岩石渗透特性试验92
4.2.2混合破碎岩样渗透特性试验106
4.3孔隙率连续变化的破碎砂岩渗透特性112
4.3.1积分式模型的建立112
4.3.2孔隙率连续变化渗流试验方法及测试结果114
4.3.3试验现象与结果分析116
第5章煤岩变形与渗流的时间效应122
5.1分级加载下破碎砂岩渗流试验122
5.1.1试验原理及方法122
5.1.2试样制备及试验设备123
5.1.3试验结果及分析125
5.2破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验131
5.2.1试验方案及过程131
5.2.2各级应力水平下的孔隙率时间历程分析132
5.2.3破碎矸石蠕变模型及其参数确定133
5.2.4蠕变及渗透参数变化规律分析135
5.3破碎煤岩体渗透参量与孔隙率的关系139
第6章三轴应力状态下煤岩渗透特性140
6.1试验系统及试验方案140
6.1.1试验系统140
6.1.2试验方案140
6.2试验原理及参数计算142
6.2.1孔隙率的计算142
6.2.2有效应力的计算144
6.3破碎砂岩试验结果及分析145
6.3.1有效应力与渗流速度的关系145
6.3.2孔压梯度与渗流速度的关系147
6.3.3围压与渗透率的关系151
6.3.4孔隙率与渗透特性的关系153
6.4破碎煤样试验结果及分析156
6.4.1孔压梯度与渗流速度的关系156
6.4.2轴向位移与孔隙率的关系164
6.4.3围压与孔隙率的关系165
6.4.4轴向位移与渗透特性的关系167
6.4.5围压与渗透特性的关系171
6.4.6孔隙率与渗透特性的关系175
第7章破碎煤岩流固耦合问题179
7.1流固耦合问题描述179
7.2应力场控制方程180
7.2.1应力平衡方程180
7.2.2几何方程181
7.2.3本构方程182
7.2.4有效应力方程183
7.2.5应力场方程183
7.3渗流场方程184
7.3.1非Darcy渗流运动方程185
7.3.2连续性方程185
7.4辅助方程187
7.4.1状态方程187
7.4.2渗透参量与孔隙率之间的关系方程187
7.5动力学模型187
7.5.1动力学方程组188
7.5.2初始条件和边界条件188
7.6渗流稳定性分析188
7.7破碎煤岩流固耦合模型数值分析193
7.7.1数值仿真软件简介194
7.7.2数值计算模型与网格划分194
7.7.3数值模型计算参数195
7.7.4定解条件195
7.7.5数值模拟结果分析196
参考文献203