煤層中的耦合運(yùn)動(dòng)理論及其應(yīng)用

前言

開采煤層氣資源，同時(shí)從根本上預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，保護(hù)大氣環(huán)境是人們追求的理想目標(biāo)。煤層中的氣體（煤層氣）主要呈吸附狀態(tài)，其力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)形態(tài)不同于自由氣體，所以土力學(xué)中以自由流體為主體的Terzaghi有效應(yīng)力原理不能完全解釋吸附煤層氣占主導(dǎo)作用的在煤層中發(fā)生的一些力學(xué)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(kuò)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(jìn)行研究，為煤層氣開采、煤礦瓦斯防治及其他與氣固耦合運(yùn)動(dòng)有關(guān)的工程應(yīng)用決策提供科學(xué)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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(kuò)散和滲流運(yùn)動(dòng)及煤層變形運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其相互關(guān)系，提出或修正了煤層氣與煤共同結(jié)構(gòu)模式、煤層氣運(yùn)動(dòng)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?；谒岢鑫锢砟Ｐ秃涂紫督橘|(zhì)截面吸附潤濕長度概念、表面物理化學(xué)及彈性力學(xué)原理，導(dǎo)出了煤吸附膨脹應(yīng)變和應(yīng)力、有效應(yīng)力、孔隙率、滲透率等物理量間的耦合計(jì)算公式。（3）第2章建立了固體變形、吸附煤層氣擴(kuò)散解吸及游離煤層氣滲流的完全耦合運(yùn)動(dòng)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(kuò)散滲流，均勻孔隙介質(zhì)中氣體的擴(kuò)散，均勻裂隙介質(zhì)中氣體的滲流的各自非耦合運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的工程實(shí)例，將由5個(gè)方程組成的完全耦合運(yùn)動(dòng)的微分方程組簡化到由2個(gè)方程組成的半耦合擴(kuò)散滲流微分方程組；根據(jù)煤粒吸附煤層氣擴(kuò)散方程的解，進(jìn)一步將由2個(gè)方程組成的半耦合擴(kuò)散滲流微分方程組簡化為1個(gè)方程，得到具有變形和擴(kuò)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(kuò)散滲流微分方程。論述了完全耦合、半耦合、非耦合運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，耦合運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，又涵蓋了吸附流體和非吸附流體的半耦合和非耦合運(yùn)動(dòng)，前者運(yùn)動(dòng)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(xì)地介紹了煤層氣的擴(kuò)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(yīng)用。全書共分七章，包括緒論、耦合運(yùn)動(dòng)的物理數(shù)學(xué)模型、均勻孔隙介質(zhì)中的擴(kuò)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(yīng)力、半耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用、多組分氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)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(xué)研究的科技人員參考，也可作為高等學(xué)校相關(guān)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(shí)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(jià)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(yùn)動(dòng)理論研究現(xiàn)狀分析    1.4.1 概述    1.4.2 煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)    1.4.3 煤的吸附擴(kuò)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(kuò)散理論    1.4.7 滲流理論    1.4.8 孔隙裂隙二重介質(zhì)的擴(kuò)散解吸與滲流理論    1.4.9 氣固耦合力學(xué)理論  1.5 本書研究主要內(nèi)容和方法第2章 耦合運(yùn)動(dòng)的物理數(shù)學(xué)模型  2.1 物理過程、基本假設(shè)和運(yùn)動(dòng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)連續(xù)方程    2.2.4 裂隙系統(tǒng)中滲流運(yùn)動(dòng)連續(xù)方程  2.3 孔隙裂隙煤層中的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.3.1 煤層變形運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.3.2 孔隙系統(tǒng)中吸附狀態(tài)煤層氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)微分方程    2.3.3 裂隙系統(tǒng)中游離狀態(tài)煤層氣滲流運(yùn)動(dòng)微分方程    2.3.4 耦合運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)微分方程組  2.5 均勻裂隙煤層中的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程組  2.6 非煤儲(chǔ)層中的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.6.1 高低滲流與非煤儲(chǔ)層變形耦合運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.6.2 滲流與非煤儲(chǔ)層變形耦合運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.6.3 煤層中與非煤儲(chǔ)層中的耦合運(yùn)動(dòng)的比較  2.7 煤層中無耦合運(yùn)動(dòng)微分方程    2.7.1 耦合運(yùn)動(dòng)與無耦合運(yùn)動(dòng)方程之間的關(guān)系    2.7.2 總應(yīng)力作用下的變形運(yùn)動(dòng)微分方程組    2.7.3 孔隙裂隙煤層中的擴(kuò)散滲流微分方程組    2.7.4 均勻孔隙煤層中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)微分方程    2.7.5 均勻裂隙煤層中的滲流運(yùn)動(dòng)微分方程  2.8 煤層中的耦合運(yùn)動(dòng)綜合分析第3章 均勻孔隙介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律  3.1 均勻孔隙煤層中的擴(kuò)散微分方程分析解    3.1.1 一維穩(wěn)定擴(kuò)散    3.1.2 平面徑向穩(wěn)定擴(kuò)散  3.2 煤粒吸附煤層氣擴(kuò)散解吸過程    3.2.1 煤粒吸附煤層氣擴(kuò)散的物理數(shù)學(xué)模型    3.2.2 擴(kuò)散微分方程的邊界條件分析及求解    3.2.3 近似解及其應(yīng)用  3.3 擴(kuò)散解吸試驗(yàn)研究    3.3.1 煤樣采集與制備    3.3.2 試驗(yàn)裝置    3.3.3 試驗(yàn)原理    3.3.4 試驗(yàn)步驟    3.3.5 試驗(yàn)內(nèi)容    3.3.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法    3.3.7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果    3.3.8 擴(kuò)散微分方程的試驗(yàn)解(內(nèi)質(zhì)量源的試驗(yàn)式)    3.3.9 理論和試驗(yàn)結(jié)果的分析討論  3.4 煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)    3.4.1 常見突出預(yù)測指標(biāo)    3.4.2 煤與瓦斯突出機(jī)理簡析    3.4.3 煤與瓦斯突出預(yù)測新指標(biāo)探索    3.4.4 Bi預(yù)測指標(biāo)測試方法探討    3.4.5 突出預(yù)測指標(biāo)Bi計(jì)算實(shí)例和比較  3.5 煤與瓦斯突出預(yù)測應(yīng)用實(shí)例    3.5.1 沙曲煤礦及試驗(yàn)區(qū)概況    3.5.2 突出預(yù)測方法和工藝介紹    3.5.3 對《測定標(biāo)準(zhǔn)》的分析    3.5.4 鉆屑解吸指標(biāo)K現(xiàn)場測定及分析    3.5.5 鉆屑解吸指標(biāo)K試驗(yàn)室測定及分析    3.5.6 現(xiàn)場與試驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的比較    3.5.7 幾個(gè)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(xué)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(jìn)巷道瓦斯涌出量預(yù)測中的應(yīng)用  4.3 二維滲流在移動(dòng)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(yù)測    4.3.4 關(guān)于分析解的計(jì)算機(jī)模擬及討論  4.4 一維徑向滲流規(guī)律及應(yīng)用    4.4.1 概述    4.4.2 一維瓦斯徑向流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型    4.4.3 衡量煤層瓦斯抽放難易程度指標(biāo)的觀測    4.4.4 抽放鉆孔有效抽放半徑計(jì)算方法第5章 煤體的吸附變形與有效應(yīng)力  5.1 概述  5.2 吸附變形與吸附熱力學(xué)參數(shù)的關(guān)系    5.2.1 孔隙的表面壓力    5.2.2 吸附膨脹模式及其計(jì)算    5.2.3 實(shí)例模擬計(jì)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(yīng)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(yīng)力計(jì)算公式    5.3.3 有效應(yīng)力作用下煤體變形的理論值與實(shí)測值比較    5.3.4 對煤層有效應(yīng)力計(jì)算公式的分析  5.4 孔隙率和吸附變形之間的關(guān)系    5.4.1 內(nèi)向吸附應(yīng)變與外觀應(yīng)變    5.4.2 裂隙孔隙率與煤層變形之間的關(guān)系  5.5 滲透率與孔隙率之間的關(guān)系  5.6 關(guān)于吸附變形與有效應(yīng)力知識(shí)的要點(diǎn)第6章 半耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用  6.1 概述  6.2 孔隙裂隙煤層中的半耦合運(yùn)動(dòng)微分方程    6.2.1 三維變形條件下的三維擴(kuò)散滲流    6.2.2 一維應(yīng)變條件下的二維擴(kuò)散滲流    6.2.3 平面應(yīng)變條件下的一維擴(kuò)散滲流  6.3 均勻裂隙煤層中的半耦合運(yùn)動(dòng)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(yīng)變條件下的二維滲流    6.3.3 平面應(yīng)變條件下的一維滲流  6.4 具有變形和擴(kuò)散解吸作用的滲流方程的應(yīng)用    6.4.1 提高煤層氣采收率的途徑    6.4.2 評價(jià)煤層氣資源的主要指標(biāo)    6.4.3 注入增產(chǎn)機(jī)理及影響壓裂效果的因素第7章 多組分氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用  7.1 注氣增產(chǎn)機(jī)理及效果分析    7.1.1 注氣增產(chǎn)機(jī)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(jì)算  7.2 多組分流體擴(kuò)散滲流的物理數(shù)學(xué)模型    7.2.1 基本概念和假定    7.2.2 煤粒基質(zhì)孔隙系統(tǒng)吸附氣相擴(kuò)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(kuò)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(xiàn)

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(fù)雜孔隙介質(zhì)，其孔隙裂隙是流體儲(chǔ)存場所和運(yùn)動(dòng)的通道。地層時(shí)刻承受著垂直地應(yīng)力、水平地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)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(gè)方向相等，為中性應(yīng)力，所以它對其他三個(gè)應(yīng)力分量的影響是相同的。當(dāng)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(shí)，以及為了開采而進(jìn)行的鉆井和巷道開挖使地下物質(zhì)虧空或地應(yīng)力釋放時(shí)，這種平衡被打破，流體與地層要運(yùn)動(dòng)和變形。根據(jù)孔隙大小及流體在孔隙中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)包括解吸（吸附）、擴(kuò)散和滲流。流體在表面張力作用下的運(yùn)動(dòng)稱為吸附，在濃度差作用下通過多孔介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散，在壓差作用下通過多孔介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)稱為滲流。固體骨架顆粒在有效應(yīng)力和溫度的變化作用下，各部分之間要產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，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(kuò)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(kuò)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(xué)稱為儲(chǔ)層中的耦合運(yùn)動(dòng)理論，本書將主要研究煤層中的耦合運(yùn)動(dòng)理論及其應(yīng)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(yīng)力場及滲流場的五場耦合理論。它與習(xí)慣上人們稱為流固耦合力學(xué)的區(qū)別在于除涉及滲流力學(xué)和巖石力學(xué)外，還主要涉及表面物理化學(xué)和吸附熱力學(xué)，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(diǎn)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(yīng)用。流固耦合力學(xué)是滲流力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一個(gè)力學(xué)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(xué)，其研究與應(yīng)用涉及水力水電工程、礦產(chǎn)資源開發(fā)、土木工程等領(lǐng)域，對社會(huì)的發(fā)展具有重要的影響。

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