煤層中的耦合運動理論及其應用

前言

開采煤層氣資源，同時從根本上預防煤礦瓦斯災害事故的發(fā)生，保護大氣環(huán)境是人們追求的理想目標。煤層中的氣體（煤層氣）主要呈吸附狀態(tài)，其力學性能和運動形態(tài)不同于自由氣體，所以土力學中以自由流體為主體的Terzaghi有效應力原理不能完全解釋吸附煤層氣占主導作用的在煤層中發(fā)生的一些力學現(xiàn)象。因此，本書將主要研究孔隙介質(zhì)骨架變形、基質(zhì)顆粒吸附變形、吸附流體擴散解吸及自由流體滲流之間相互耦合作用規(guī)律，即對具有吸附作用的氣固耦合理論進行研究，為煤層氣開采、煤礦瓦斯防治及其他與氣固耦合運動有關的工程應用決策提供科學依據(jù)。全書共七章，各章主要研究內(nèi)容如下：（1）第1章對煤層中的耦合運動理論研究對象、研究意義、基本概念、研究現(xiàn)狀、存在的問題、研究內(nèi)容和方法進行了綜合的介紹、分析、歸納和總結(jié)。（2）第2、3、5章穿插論述了煤層的結(jié)構(gòu)、煤層氣的存在形式、煤層氣的擴散和滲流運動及煤層變形運動特點及其相互關系，提出或修正了煤層氣與煤共同結(jié)構(gòu)模式、煤層氣運動模式、煤層變形模式、吸附膨脹模式等一系列的物理概念或物理模型。基于所提出物理模型和孔隙介質(zhì)截面吸附潤濕長度概念、表面物理化學及彈性力學原理，導出了煤吸附膨脹應變和應力、有效應力、孔隙率、滲透率等物理量間的耦合計算公式。（3）第2章建立了固體變形、吸附煤層氣擴散解吸及游離煤層氣滲流的完全耦合運動的微分方程組；建立了固體介質(zhì)變形，孔隙裂隙二重介質(zhì)中氣體的擴散滲流，均勻孔隙介質(zhì)中氣體的擴散，均勻裂隙介質(zhì)中氣體的滲流的各自非耦合運動的微分方程（組）。第6章結(jié)合地面鉆井開采煤層氣和兩平行巷間煤柱中煤層氣的運動的工程實例，將由5個方程組成的完全耦合運動的微分方程組簡化到由2個方程組成的半耦合擴散滲流微分方程組；根據(jù)煤粒吸附煤層氣擴散方程的解，進一步將由2個方程組成的半耦合擴散滲流微分方程組簡化為1個方程，得到具有變形和擴散解吸作用的半耦合滲流方程，并給出了初始邊界條件。第7章建立了多組分氣體擴散滲流微分方程。論述了完全耦合、半耦合、非耦合運動的關系，耦合運動微分方程具有普遍意義，既涵蓋了吸附流體和非吸附流體的耦合運動，又涵蓋了吸附流體和非吸附流體的半耦合和非耦合運動，前者運動方程可由后者經(jīng)過一定轉(zhuǎn)化得到。

內(nèi)容概要

本書是作者多年研究成果全面系統(tǒng)的總結(jié)。書中詳細地介紹了煤層氣的擴散解吸及滲流，煤層骨架變形、基質(zhì)顆粒吸附變形之間相互耦合作用規(guī)律及其在工程中的應用。全書共分七章，包括緒論、耦合運動的物理數(shù)學模型、均勻孔隙介質(zhì)中的擴散規(guī)律、均勻裂隙介質(zhì)中的滲流規(guī)律、煤體的吸附變形與有效應力、半耦合運動規(guī)律及其應用、多組分氣體運動規(guī)律及其應用。    本書可供煤炭、石油、天然氣、化工、水文地質(zhì)、土建等部門從事安全工程、資源開采、化工吸附分離、流固耦合力學研究的科技人員參考，也可作為高等學校相關專業(yè)本科生和研究生的參考教材。

書籍目錄

前言第1章 緒論  1.1 引子  1.2 開采煤層氣的實際意義    1.2.1 煤層氣對礦井的危害    1.2.2 排放煤層氣對環(huán)境的影響    1.2.3 煤層氣的能源價值  1.3 開采煤層氣存在的技術(shù)困境    1.3.1 開采煤層氣面臨的主要困難    1.3.2 煤層氣與石油天然氣開采理論與技術(shù)的異同  1.4 煤層中的耦合運動理論研究現(xiàn)狀分析    1.4.1 概述    1.4.2 煤的化學結(jié)構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)    1.4.3 煤的吸附擴散性能    1.4.4 煤層孔隙結(jié)構(gòu)模型分類    1.4.5 孔隙裂隙二重介質(zhì)模型    1.4.6 擴散理論    1.4.7 滲流理論    1.4.8 孔隙裂隙二重介質(zhì)的擴散解吸與滲流理論    1.4.9 氣固耦合力學理論  1.5 本書研究主要內(nèi)容和方法第2章 耦合運動的物理數(shù)學模型  2.1 物理過程、基本假設和運動定律  2.2 孔隙裂隙煤層中的基本方程    2.2.1 煤層變形平衡方程    2.2.2 煤層變形幾何方程    2.2.3 孔隙系統(tǒng)中擴散運動連續(xù)方程    2.2.4 裂隙系統(tǒng)中滲流運動連續(xù)方程  2.3 孔隙裂隙煤層中的耦合運動微分方程組    2.3.1 煤層變形運動微分方程組    2.3.2 孔隙系統(tǒng)中吸附狀態(tài)煤層氣擴散運動微分方程    2.3.3 裂隙系統(tǒng)中游離狀態(tài)煤層氣滲流運動微分方程    2.3.4 耦合運動微分方程組的初始邊界條件與求解  2.4 均勻孔隙煤層中的耦合運動微分方程組  2.5 均勻裂隙煤層中的耦合運動微分方程組  2.6 非煤儲層中的耦合運動微分方程組    2.6.1 高低滲流與非煤儲層變形耦合運動微分方程組    2.6.2 滲流與非煤儲層變形耦合運動微分方程組    2.6.3 煤層中與非煤儲層中的耦合運動的比較  2.7 煤層中無耦合運動微分方程    2.7.1 耦合運動與無耦合運動方程之間的關系    2.7.2 總應力作用下的變形運動微分方程組    2.7.3 孔隙裂隙煤層中的擴散滲流微分方程組    2.7.4 均勻孔隙煤層中的擴散運動微分方程    2.7.5 均勻裂隙煤層中的滲流運動微分方程  2.8 煤層中的耦合運動綜合分析第3章 均勻孔隙介質(zhì)中的擴散規(guī)律  3.1 均勻孔隙煤層中的擴散微分方程分析解    3.1.1 一維穩(wěn)定擴散    3.1.2 平面徑向穩(wěn)定擴散  3.2 煤粒吸附煤層氣擴散解吸過程    3.2.1 煤粒吸附煤層氣擴散的物理數(shù)學模型    3.2.2 擴散微分方程的邊界條件分析及求解    3.2.3 近似解及其應用  3.3 擴散解吸試驗研究    3.3.1 煤樣采集與制備    3.3.2 試驗裝置    3.3.3 試驗原理    3.3.4 試驗步驟    3.3.5 試驗內(nèi)容    3.3.6 試驗數(shù)據(jù)處理方法    3.3.7 試驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果    3.3.8 擴散微分方程的試驗解(內(nèi)質(zhì)量源的試驗式)    3.3.9 理論和試驗結(jié)果的分析討論  3.4 煤與瓦斯突出預測指標    3.4.1 常見突出預測指標    3.4.2 煤與瓦斯突出機理簡析    3.4.3 煤與瓦斯突出預測新指標探索    3.4.4 Bi預測指標測試方法探討    3.4.5 突出預測指標Bi計算實例和比較  3.5 煤與瓦斯突出預測應用實例    3.5.1 沙曲煤礦及試驗區(qū)概況    3.5.2 突出預測方法和工藝介紹    3.5.3 對《測定標準》的分析    3.5.4 鉆屑解吸指標K現(xiàn)場測定及分析    3.5.5 鉆屑解吸指標K試驗室測定及分析    3.5.6 現(xiàn)場與試驗室試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果的比較    3.5.7 幾個重要結(jié)論第4章 均勻裂隙介質(zhì)中的滲流規(guī)律  4.1 均勻裂隙煤層中的滲流物理數(shù)學模型  4.2 平行巷間煤柱中滲流微分方程近似分析解    4.2.1 滲流微分方程的近似分析解    4.2.2 對近似分析解的討論    4.2.3 近似分析解在掘進巷道瓦斯涌出量預測中的應用  4.3 二維滲流在移動邊界條件的近似分析解    4.3.1 概述    4.3.2 工作面煤體瓦斯壓力分布規(guī)律    4.3.3 工作面煤體瓦斯涌出量的預測    4.3.4 關于分析解的計算機模擬及討論  4.4 一維徑向滲流規(guī)律及應用    4.4.1 概述    4.4.2 一維瓦斯徑向流動的數(shù)學模型    4.4.3 衡量煤層瓦斯抽放難易程度指標的觀測    4.4.4 抽放鉆孔有效抽放半徑計算方法第5章 煤體的吸附變形與有效應力  5.1 概述  5.2 吸附變形與吸附熱力學參數(shù)的關系    5.2.1 孔隙的表面壓力    5.2.2 吸附膨脹模式及其計算    5.2.3 實例模擬計算    5.2.4 對吸附膨脹變形特性的分析討論  5.3 含吸附煤層氣煤的有效應力    5.3.1 煤層的受力狀態(tài)分析    5.3.2 含吸附煤層氣煤層的有效應力計算公式    5.3.3 有效應力作用下煤體變形的理論值與實測值比較    5.3.4 對煤層有效應力計算公式的分析  5.4 孔隙率和吸附變形之間的關系    5.4.1 內(nèi)向吸附應變與外觀應變    5.4.2 裂隙孔隙率與煤層變形之間的關系  5.5 滲透率與孔隙率之間的關系  5.6 關于吸附變形與有效應力知識的要點第6章 半耦合運動規(guī)律及其應用  6.1 概述  6.2 孔隙裂隙煤層中的半耦合運動微分方程    6.2.1 三維變形條件下的三維擴散滲流    6.2.2 一維應變條件下的二維擴散滲流    6.2.3 平面應變條件下的一維擴散滲流  6.3 均勻裂隙煤層中的半耦合運動微分方程    6.3.1 三維變形條件下的三維滲流    6.3.2 一維應變條件下的二維滲流    6.3.3 平面應變條件下的一維滲流  6.4 具有變形和擴散解吸作用的滲流方程的應用    6.4.1 提高煤層氣采收率的途徑    6.4.2 評價煤層氣資源的主要指標    6.4.3 注入增產(chǎn)機理及影響壓裂效果的因素第7章 多組分氣體運動規(guī)律及其應用  7.1 注氣增產(chǎn)機理及效果分析    7.1.1 注氣增產(chǎn)機理分析    7.1.2 自然降壓開采煤層氣的最大理論回收量和回收率    7.1.3 注氣開采煤層氣的最大理論回收量和回收率    7.1.4 回收率的模擬計算  7.2 多組分流體擴散滲流的物理數(shù)學模型    7.2.1 基本概念和假定    7.2.2 煤?；|(zhì)孔隙系統(tǒng)吸附氣相擴散解吸方程    7.2.3 煤層裂隙系統(tǒng)中的滲流方程  7.3 間歇注氣過程的微分方程及近似解    7.3.1 多組分流體擴散滲流微分方程的簡化    7.3.2 初始邊界條件    7.3.3 近似分析解的求解方法參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 引子地層是由固體骨架和孔隙裂隙構(gòu)成的復雜孔隙介質(zhì)，其孔隙裂隙是流體儲存場所和運動的通道。地層時刻承受著垂直地應力、水平地應力、構(gòu)造應力和孔隙壓力，并且處于相對平衡狀態(tài)。由于孔隙壓力在各個方向相等，為中性應力，所以它對其他三個應力分量的影響是相同的。當采出地層中的石油天然氣、煤層氣、地下水、固體礦產(chǎn)等礦物質(zhì)時，以及為了開采而進行的鉆井和巷道開挖使地下物質(zhì)虧空或地應力釋放時，這種平衡被打破，流體與地層要運動和變形。根據(jù)孔隙大小及流體在孔隙中的運動形態(tài)將地層分為均勻孔隙介質(zhì)、均勻裂隙介質(zhì)、孔隙裂隙二重介質(zhì)等[2]。流體在多孔介質(zhì)中的運動包括解吸（吸附）、擴散和滲流。流體在表面張力作用下的運動稱為吸附，在濃度差作用下通過多孔介質(zhì)的運動稱為擴散，在壓差作用下通過多孔介質(zhì)的運動稱為滲流。固體骨架顆粒在有效應力和溫度的變化作用下，各部分之間要產(chǎn)生相對運動，即產(chǎn)生骨架（整體）變形，構(gòu)成固體骨架的顆粒（基質(zhì)）因吸附流體要產(chǎn)生（顆粒）吸附變形。流體解吸、擴散及滲流，骨架變形及顆粒吸附變形處于同一系統(tǒng)中，它們之間相互作用和彼此影響，這就是耦合現(xiàn)象和問題。因此，本書把研究地層中流體解吸、擴散及滲流，骨架變形、顆粒吸附變形之間相互耦合作用規(guī)律的科學稱為儲層中的耦合運動理論，本書將主要研究煤層中的耦合運動理論及其應用。這一理論依據(jù)系統(tǒng)中物質(zhì)存在的相態(tài)，可稱為自由相流體、吸附相流體及固相的三相耦合理論，依據(jù)系統(tǒng)中物理場可稱為溫度場、吸附勢、濃度場、應力場及滲流場的五場耦合理論。它與習慣上人們稱為流固耦合力學的區(qū)別在于除涉及滲流力學和巖石力學外，還主要涉及表面物理化學和吸附熱力學，即要深入研究吸附作用對滲流和變形的深刻影響，這也是本書的主要特色和創(chuàng)新點之一，因此該書也可稱為具有吸附作用的氣固耦合理論及應用。流固耦合力學是滲流力學與固體力學交叉而生成的一個力學分支，它是研究地質(zhì)環(huán)境中流體（水、氣、油）與巖體相互作用的一門科學，其研究與應用涉及水力水電工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)、土木工程等領域，對社會的發(fā)展具有重要的影響。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    煤層中的耦合運動理論及其應用 PDF格式下載

---