采動(dòng)巖體蠕變與滲流耦合動(dòng)力學(xué)

前言

在采礦工程中，采動(dòng)巖體的變形常常伴隨著流體的運(yùn)動(dòng)，如水的滲流、瓦斯的解吸／吸附、擴(kuò)散、對(duì)流和滲流。因此，采動(dòng)巖體力學(xué)的研究對(duì)象是固體與流體的耦合運(yùn)動(dòng)。這類耦合運(yùn)動(dòng)具有如下特點(diǎn)：（1）煤層的開采和巷道的掘進(jìn)造成巖體的變形、破壞和垮落。因此，巖體的邊界，包括彈性區(qū)、塑性區(qū)、破裂區(qū)和破碎區(qū)之間的界面隨著時(shí)間而變化。（2）煤層的開采造成頂板直至地表的下沉，對(duì)地面建筑和農(nóng)田造成不利影響。實(shí)踐表明，采空區(qū)沉陷是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，需要考慮巖體的流變，特別是蠕變。（3）煤層頂、底板的變形使得水滲流通路的粗糙度、寬度、迂直度等參量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致滲透特性的變化。這些變化經(jīng)歷一定時(shí)間后，可能滿足滲流失穩(wěn)條件而引發(fā)突水災(zāi)害。（4）煤層及其圍巖的破裂使得瓦斯在煤層中運(yùn)移的狀態(tài)發(fā)生變化，甚至引起穩(wěn)定性的變化，這樣，可能誘發(fā)瓦斯突出、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。針對(duì)以上特點(diǎn)開展采動(dòng)巖體力學(xué)問題研究，需要開拓學(xué)術(shù)思路、提出新的概念和方法、建立新的學(xué)科體系?！恫蓜?dòng)巖體蠕變與滲流耦合動(dòng)力學(xué)》正是圍繞以上特點(diǎn)開展的探索性研究成果。采礦工程中大多巖體力學(xué)問題屬于時(shí)變邊界問題。時(shí)變邊界是采動(dòng)巖體最本質(zhì)的特征，也是采動(dòng)巖體力學(xué)復(fù)雜性所在。采動(dòng)巖體的邊界變化主要是由破壞引起的，因此，需要研究巖體在各種變形狀態(tài)（彈性狀態(tài)、剪切屈服、拉伸破壞等）下的流動(dòng)法則及變形狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化機(jī)制。在巖土力學(xué)成熟理論中，流動(dòng)法則通常采用應(yīng)力分量／增量表示應(yīng)變分量／增量的形式。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，需要建立以應(yīng)變分量／增量表示應(yīng)力分量／增量形式的流動(dòng)法則，并考慮動(dòng)態(tài)加載、卸載及變形狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。該書將巖層（煤層）的流動(dòng)法則作為計(jì)算巖體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的前提，對(duì)巖層的破壞形式、破壞條件（函數(shù)）、流動(dòng)法則，特別是變形狀態(tài)的變化進(jìn)行了詳細(xì)的討論，其研究成果可望在采礦工程中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著巖體的破壞，水和瓦斯在巖體中的滲流發(fā)生運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，常引發(fā)突水、瓦斯突出等災(zāi)害。該書運(yùn)用非線性動(dòng)力學(xué)的分岔理論研究了破碎巖體非等溫滲流、破碎巖體中氣體滲流及破碎巖體流固耦合滲流的動(dòng)力學(xué)行為，為解釋突水、瓦斯突出等災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制及預(yù)防災(zāi)害提供了重要的理論基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

本書以采動(dòng)巖體蠕變—滲流耦合問題為研究對(duì)象，對(duì)采動(dòng)巖體的復(fù)雜行為進(jìn)行了較為深入的研究．全書共18章。第1～5章為基礎(chǔ)理論，包括流-固耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述、巖石流變和滲流理論、巖石的破壞形式與流動(dòng)法則、含瓦斯煤體的基本運(yùn)動(dòng)．第6、7章為試驗(yàn)研究，包括破碎巖石的滲透試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)．第8～10章為動(dòng)力學(xué)模型，包括巖體變形與滲流耦合動(dòng)力學(xué)模型、含瓦斯煤層動(dòng)力學(xué)模型、煤層變形與瓦斯運(yùn)移耦合系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算方法．第11～14章為耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，包括破碎巖體非Darcy水滲流的動(dòng)力學(xué)分析、溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用及其響應(yīng)、破碎巖體中氣體滲流動(dòng)力學(xué)分析、破碎巖體流固耦合非線性動(dòng)力學(xué)分析．第15～18章為應(yīng)用研究，包括巷道整體及局部支護(hù)下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)巷道闈巖變形的黏彈性分析、滲流作用下巷道圍巖黏彈性分析及瓦斯突出機(jī)理分析．本書內(nèi)容屬于力學(xué)、采礦、煤礦安全、巖土工程等學(xué)科的交叉領(lǐng)域．附錄為時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介．　　本書可供力學(xué)、采礦、安全、巖土、地質(zhì)等領(lǐng)域的廣大科技工作者和高等學(xué)校師生參考．

作者簡(jiǎn)介

陳占清，男，河北省蔚縣人，1961年生。1982年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)學(xué)院力學(xué)師資班，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1989年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)一般力學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位；2003年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。2003年進(jìn)入中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動(dòng)站。先后主持江蘇省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、江蘇省博士后科研發(fā)展計(jì)劃、中國(guó)高校博士點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)科學(xué)研究基金和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目?，F(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授、一般力學(xué)和工程力學(xué)專業(yè)博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闀r(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)（剛－撓－液耦合系統(tǒng)）動(dòng)力學(xué)與采動(dòng)巖體力學(xué)。李順才，女，1969年出生，湖南省雙峰縣人。1991年畢業(yè)于重慶大學(xué)工程力學(xué)系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2003年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位；2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）會(huì)員，江蘇省優(yōu)秀力學(xué)工作者。主持江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目多項(xiàng)?，F(xiàn)為徐州師范大學(xué)副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算固體力學(xué)、采動(dòng)巖體力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)。浦海，男，漢族，中共黨員，江蘇省鹽城人，1978年10月生。2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）會(huì)員，江蘇省優(yōu)秀力學(xué)工作者，江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師。作為學(xué)術(shù)骨干參加973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及企業(yè)委托項(xiàng)目等近十項(xiàng)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（第二獲獎(jiǎng)人）?，F(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)副教授，工程力學(xué)專業(yè)碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴蓜?dòng)巖體滲流力學(xué)、水資源保護(hù)性采煤理論與技術(shù)。

書籍目錄

序 前言 緒論 　0．1 研究背景與意義 　0．2 研究?jī)?nèi)容與方法 　0．3 研究現(xiàn)狀與展望 　參考文獻(xiàn) 第1章 流-固耦合問題的運(yùn)動(dòng)描述 　1．1 符號(hào)規(guī)則 　1．2 Lagrangr坐標(biāo)和Euler坐標(biāo) 　1．3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　1．4 坐標(biāo)變換關(guān)系 　1．5 關(guān)于旋度張量與旋度矢量的注解 　1．6 本章小結(jié) 第2章 巖石流變的基本理論 　2．1 巖石流變的基本概念 　2．2 巖石流變模型 　參考文獻(xiàn) 第3章 巖石滲流的基本理論 　3．1 滲流的基本概念 　3．2 Darcy定律 　3．3 滲透系數(shù)及滲透率 　3．4 非Darcy滲流 　3．5 狀態(tài)方程 　3．6 質(zhì)量守恒方程 　3．7 滲透特性與孔隙度的關(guān)系 　參考文獻(xiàn) 第4章 巖層本構(gòu)關(guān)系 　4．1 應(yīng)力和應(yīng)變的正負(fù)號(hào)規(guī)定及表示方法 　4．2 變形狀態(tài) 　4．3 有效應(yīng)力與等效孔隙壓力系數(shù) 　4．4 孔隙壓力對(duì)巖石破壞的影響 　4．5 簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下塑性流動(dòng)法則簡(jiǎn)短回顧 　4．6 剪切屈服后的流動(dòng) 　4．7 拉伸破壞后的流動(dòng) 　4．8 復(fù)合流動(dòng) 　4．9 變形狀態(tài)的切換 　4．10 本構(gòu)關(guān)系 　4．11 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第5章 含瓦斯煤層運(yùn)動(dòng)規(guī)律 　5．1 瓦斯吸附與解吸 　5．2 瓦斯擴(kuò)散 　5．3 瓦斯?jié)B流 　5．4 瓦斯運(yùn)移過程中的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒 　5．5 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第6章 破碎巖石滲透特性測(cè)試 　6．1 概述 　6．2 測(cè)試原理與方法 　6．3 試驗(yàn)過程與流程編程 　6．4 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 　6．5 關(guān)于Darcy流偏離因子b的符號(hào)討論 　6．6 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第7章 破碎巖石蠕變?cè)囼?yàn)研究 　7．1 概述 　7．2 試驗(yàn)原理與方法 　7．3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 　7．4 滲流時(shí)間歷程曲線 　7．5 側(cè)限條件下碎石的蠕變模型及其參數(shù)確定 　7．6 試驗(yàn)誤差及分析 　7．7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析和計(jì)算的支持 　7．8 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第8章 巖石變形與滲流耦合動(dòng)力學(xué)模型 　8．1 巖石骨架的質(zhì)量平衡方程 　8．2 巖石骨架的動(dòng)量平衡方程 　8．3 流體的質(zhì)量平衡方程 　8．4 流體的動(dòng)量平衡方程 　8．5 材料力學(xué)性質(zhì) 　8．6 變形-滲流耦合動(dòng)力學(xué)模型 　8．7 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第9章 煤層變形與瓦斯運(yùn)移的耦合動(dòng)力學(xué)模型 　9．1 幾點(diǎn)假設(shè) 　9．2 耦合作用 　9．3 動(dòng)力學(xué)模型 　9．4 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第10章 煤層變形與瓦斯運(yùn)移耦合系統(tǒng)的響應(yīng)計(jì)算方法 　10．1 快速Lagrange算法 　10．2 單元上物理量的計(jì)算 　10．3 節(jié)點(diǎn)上物理量的計(jì)算 　10．4 節(jié)點(diǎn)上和單元內(nèi)輔助物理量的計(jì)算 　10．5 邊界上節(jié)點(diǎn)加速度等物理量的計(jì)算 　10．6 阻尼 　10．7 幾點(diǎn)說明 　10．8 計(jì)算耦合系統(tǒng)響應(yīng)的Fortran程序說明 　10．9 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第11章 破碎巖體非Darcy水滲流的動(dòng)力學(xué)分析 　11．1 一維非Darcy滲流的動(dòng)力學(xué)方程 　11．2 初始和邊界條件 　11．3 系統(tǒng)的平衡態(tài) 　11．4 模型的數(shù)值計(jì)算 　11．5 平衡態(tài)的穩(wěn)定性分析 　11．6 破碎巖體滲流動(dòng)力系統(tǒng)的分岔研究 　11．7 破碎巖體滲流失穩(wěn)的突變模型 　11．8 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第12章 破碎巖體非等溫滲流的動(dòng)力學(xué)分析 　12．1 破碎巖體非等溫滲流的非線性動(dòng)力學(xué)方程組 　12．2 系統(tǒng)的平衡態(tài) 　12．3 模型的數(shù)值計(jì)算 　12．4 平衡態(tài)的穩(wěn)定性分析 　12．5 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第13章 破碎巖體中氣體滲流的動(dòng)力學(xué)分析 　13．1 氣體滲流的非線性動(dòng)力學(xué)方程組 　13．2 系統(tǒng)的平衡態(tài) 　13．3 平衡態(tài)的穩(wěn)定性分析 　13．4 氣體非Darcy滲流的鞍結(jié)分岔及折疊突變 　13．5 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第14章 破碎巖體流固耦合滲流動(dòng)力學(xué)分析 　14．1 應(yīng)力場(chǎng)方程 　14．2 滲流場(chǎng)方程 　14．3 狀態(tài)方程 　14．4 解耦方法及條件 　14．5 一維非Darcy滲流的非線性動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型及數(shù)值計(jì)算 　14．6 一維彈性流固耦合滲流的非線性動(dòng)力學(xué)分析 　14．7 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第15章 巷道整體及局部支護(hù)下的圍巖應(yīng)力場(chǎng) 　15．1 圓形巷道圍巖的彈性應(yīng)力場(chǎng)分析 　15．2 圓形巷道圍巖彈塑性應(yīng)力場(chǎng)分析 　15．3 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第16章 巷道圍巖變形的黏彈性分析 　16．1 無(wú)支護(hù)時(shí)巷道圍巖變形的黏彈性分析 　16．2 整體平衡支護(hù)下圍巖與支護(hù)系統(tǒng)的黏彈性分析 　16．3 局部弱支擴(kuò)下巷道圍巖的應(yīng)變分析 　16．4 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第17章 滲流作用下巷道圍巖變形黏彈性分析 　17．1 滲流作用下巷道圍巖穩(wěn)定性的彈塑性分析 　17．2 滲流作用下巷道圍巖變形的黏彈性分析 　17．3 非穩(wěn)態(tài)滲流作用下巷道圍巖變形的時(shí)效性研究 　17．4 滲流作用下弱支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)及蠕變數(shù)值模擬 　17．5 巷道圍巖支護(hù)及控制對(duì)策研究 　17．6 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第18章 時(shí)變邊界系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與瓦斯突出機(jī)理 　18．1 煤與瓦斯突出的幾種假說及簡(jiǎn)評(píng) 　18．2 含瓦斯煤體的邊界時(shí)變特征 　18．3 時(shí)變邊界系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)用來(lái)解釋瓦斯突出機(jī)理 　18．4 本章小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 附錄 時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介 　A．1 時(shí)變系統(tǒng)及其分類 　　A．2 時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的熱點(diǎn)問題 　A．3 時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 流一固耦合問題的運(yùn)動(dòng)描述楊本洛教授在《湍流和理論流體力學(xué)的理性重構(gòu)》一書的引言中指出：“在自然科學(xué)中，如何恰當(dāng)?shù)匦问蕉x那個(gè)被描述的物質(zhì)對(duì)象是一個(gè)首要任務(wù)，但是，人們似乎從來(lái)沒有足夠認(rèn)真地關(guān)注如何形式地區(qū)分變形體和流體的問題，在目前的宏觀力學(xué)中，變形體和流體都被理想化地認(rèn)定為連續(xù)介質(zhì)，同一地服從作為整個(gè)經(jīng)典宏觀力學(xué)基礎(chǔ)的連續(xù)性公理，即曾經(jīng)相連的永遠(yuǎn)相連，沒有相連的永遠(yuǎn)不得相連，事實(shí)上，對(duì)于真實(shí)存在的宏觀物質(zhì)而言，連續(xù)性公理是一個(gè)過分強(qiáng)化的假設(shè)，根據(jù)現(xiàn)代微分幾何，連續(xù)體的任何非均勻運(yùn)動(dòng)，也就是說，當(dāng)運(yùn)動(dòng)中連續(xù)體的不同部分呈現(xiàn)不同的動(dòng)力學(xué)機(jī)制時(shí)，乃至不能為一個(gè)同一化的線性方程所描述的時(shí)候，連續(xù)體的運(yùn)動(dòng)只能出現(xiàn)在人們通常所說的那個(gè)抽象三維物質(zhì)流形之中，因此，對(duì)于和物理實(shí)在對(duì)應(yīng)的三維Euclid空間，除了某種過分簡(jiǎn)單的線性變形以外，一切連續(xù)介質(zhì)只能呈現(xiàn)僵死的凍結(jié)狀態(tài)?！苯鼛资陙?lái)，基礎(chǔ)研究被大大地冷落了.特別是在各種“耦合”的系統(tǒng)中，“位形”、“坐標(biāo)”等基本概念的研究被忽視.本章從“位形”、“坐標(biāo)”的基本概念入手，對(duì)流固耦合問題的運(yùn)動(dòng)描述進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。1.1 符號(hào)規(guī)則本章涉及的符號(hào)較多，但是采用了簡(jiǎn)單的規(guī)則，記住這些規(guī)則，符號(hào)的意義便一目了然了。

編輯推薦

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