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第1章 固体介质宏细观组构、结构与特性1

1.1 岩石1

1.1.1 岩石和矿物1

1.1.2 岩石的分类1

1.1.3 决定岩石物理性质的主要因素2

1.2 岩石孔隙的基本性质3

1.2.1 孔隙率与有效孔隙率3

1.2.2 孔隙率、结构和排列3

1.2.3 孔隙率的测定方法4

1.2.4 比面6

1.3 煤体孔隙的分布特征8

1.3.1 煤体孔隙的成因分类8

1.3.2 煤体孔隙的孔径分类8

1.3.3 高精度显微CT试验系统9

1.3.4 煤体孔隙的空间分布状态10

1.4 几类砂岩的孔隙分布11

1.4.1 砂岩孔隙的CT扫描分析11

1.4.2 粗、中、细砂岩中最大孔隙团空间随机分布状态13

1.4.3 孔隙率对连通团数量和孔隙团表面积的影响15

1.5 岩体裂缝的描述与统计分析16

1.5.1 分类和定义16

1.5.2 裂缝的基本参数17

1.5.3 裂缝的测量22

1.6 岩体裂缝系统二维分形分布规律24

1.6.1 岩体裂缝分布的分形方法24

1.6.2 岩体裂缝走向不分组的分形规律与无标度区27

1.6.3 岩体裂隙走向分组的分形规律29

1.6.4 二维裂缝分布的分形仿真31

1.6.5 岩层裂缝数量分形分布相关规律33

1.7 岩体裂缝面的三维分形分布35

1.7.1 岩体裂缝面数量分布的三维分形分析方法35

1.7.2 强随机分布的裂缝面数量的三维分形分布规律36

1.7.3 弱随机分布的裂缝面数量服从三维分形分布规律37

1.7.4 强随机分布裂缝面数量二维与三维分形参数相关规律38

第2章 流体的组构与特性39

2.1 流体39

2.1.1 流体的物理属性39

2.1.2 流体质点的概念39

2.1.3 流体的分类40

2.2 流体的基本性质40

2.2.1 流体的密度41

2.2.2 流体的黏度42

2.2.3 流体的压缩系数44

2.3 地下水与含水层45

2.3.1 垂直剖面上的地下水分布45

2.3.2 含水层的分类46

2.3.3 含水层的性态47

2.4 石油、天然气与煤层气48

2.4.1 石油与天然气48

2.4.2 煤层气56

2.5 超临界流体57

第3章 连续介质理论与普遍的守恒定律59

3.1 连续介质理论59

3.1.1 多孔介质与连续介质59

3.1.2 流体简化作连续介质的方法60

3.1.3 多孔介质的连续介质理论与方法60

3.2 岩体介质性态的分类62

3.2.1 裂隙岩体的特征体积62

3.2.2 岩石骨架介质类型63

3.3 多孔介质中的流体输运速度64

3.3.1 多组分流体的质量、体积平均速度64

3.3.2 实质导数66

3.4 普遍的守恒定律66

3.5 流体连续介质的质量、动量和能量守恒方程68

第4章 流体在多孔介质中的传输理论72

4.1 不变形多孔介质中的质量守恒72

4.1.1 基本连续性方程72

4.1.2 不可压缩流体渗流的控制方程73

4.1.3 可压缩流体渗流的控制方程74

4.2 可压密介质中的质量守恒74

4.2.1 固体骨架的可压缩性74

4.2.2 只有垂向压密的问题75

4.2.3 三相与三维的压密问题76

4.3 承压含水层和越流含水层中的流动79

4.3.1 承压含水层中的流动79

4.3.2 越流含水层中的流动80

4.4 流函数与势函数81

4.5 初边值条件84

4.5.1 解的适定性问题84

4.5.2 给定势的边界85

4.5.3 给定通量的边界86

4.6 裂隙岩体的渗流模型87

4.6.1 裂隙网络渗流模型87

4.6.2 拟连续介质渗流模型90

第5章 固体力学基础92

5.1 应力分析及应力平衡方程92

5.1.1 应力92

5.1.2 应力平衡微分方程93

5.1.3 斜面上的应力94

5.1.4 主应力95

5.2 应变分析及变形协调方程96

5.2.1 应变96

5.2.2 应变分量的坐标变换式97

5.2.3 变形协调方程98

5.3 应力与应变关系98

5.4 弹性力学问题的数学模型及解法101

5.4.1 数学模型101

5.4.2 弹性力学问题的解法102

5.4.3 圣维南原理与叠加原理102

5.5 弹性力学的平面问题103

5.5.1 平面应变问题103

5.5.2 面应力问题103

第6章 传热学105

6.1 热量传输概述105

6.1.1 热量传输方式105

6.1.2 传热过程与传热系数105

6.2 热传导定律与理论106

6.2.1 导热基本定律106

6.2.2 导热控制方程107

6.3 对流传热定律与理论109

6.3.1 对流换热概述109

6.3.2 对流换热的控制方程109

6.3.3 对流换热的边界层微分方程110

6.4 热辐射基本定律112

第7章 传质理论114

7.1 传质的基本方式与传递定律114

7.1.1 传质理论的早期发展114

7.1.2 扩散传质115

7.1.3 扩散传质的速度与通量115

7.1.4 对流传质119

7.2 传质微分方程120

7.2.1 传质的质量守恒方程120

7.2.2 传质微分方程的特例123

7.2.3 传质问题的初边界条件124

7.3 气体、液体与固体中的扩散系数125

7.3.1 气体中的扩散系数125

7.3.2 液体与固体中的扩散系数126

第8章 热力学与反应动力学128

8.1 热力学基础128

8.1.1 热力学状态和状态函数128

8.1.2 热力学定律129

8.1.3 热力学基本方程131

8.1.4 偏摩尔量和化学势132

8.2 化学平衡和相平衡132

8.2.1 化学平衡132

8.2.2 相平衡134

8.3 化学反应动力学137

8.3.1 反应速率方程137

8.3.2 典型复杂反应138

8.3.3 温度对反应速率的影响140

第9章 逾渗理论142

9.1 逾渗现象142

9.2 单纯孔隙介质的逾渗143

9.2.1 定义与方法143

9.2.2 二维孔隙介质逾渗规律144

9.2.3 三维孔隙介质逾渗规律145

9.3 孔隙裂隙双重介质的逾渗146

9.3.1 孔隙裂隙双重介质的逾渗研究方法146

9.3.2 二维单一裂隙多孔介质的逾渗规律147

9.3.3 二维孔隙裂隙双重介质的逾渗规律148

9.3.4 三维孔隙裂隙双重介质逾渗模型150

9.3.5 三维孔隙裂隙双重介质逾渗规律模拟研究151

9.4 煤体瓦斯逾渗机理153

9.4.1 二维孔隙介质连通团分布规律与渗流机理154

9.4.2 二维孔隙裂隙双重介质连通团分布规律与逾渗机理155

9.5 油页岩热解的逾渗研究156

9.5.1 油页岩孔隙结构随温度的变化规律156

9.5.2 不同热解温度下油页岩孔隙结构的三维逾渗规律158

第10章 连续介质理论的离散分析方法165

10.1 离散分析的发展165

10.2 有限差分法166

10.3 有限元法168

第11章 多孔介质多场耦合作用的本构规律171

11.1 岩石的基本力学特性171

11.1.1 岩石的全程应力应变曲线171

11.1.2 三轴应力下岩石的特性173

11.1.3 岩石的破坏机制与强度准则174

11.1.4 不连续面的性状176

11.2 岩体渗流的物性方程177

11.2.1 线性渗流的物性方程177

11.2.2 裂隙介质中的流动定律181

11.3 流固耦合作用下渗流规律183

11.3.1 应力与孔隙压作用的渗流特征183

11.3.2 体积应力与孔隙压共同作用下的渗流规律183

11.3.3 体积应力、剪应力与孔隙压对煤体渗透性的影响185

11.3.4 三维应力下侧向应力对裂缝渗透系数影响的实验与理论分析188

11.3.5 蠕变、破裂等不可恢复变形下的渗透性变化研究191

11.3.6 岩石细观渗流规律的研究192

11.3.7 吸附性气体的渗流规律194

11.3.8 三维应力作用下裂缝中气体渗流规律196

11.3.9 气液二相流体渗流规律198

11.4 有效应力规律199

11.5 流体作用下的岩体特性202

11.5.1 水对岩体性态的影响202

11.5.2 孔隙瓦斯对煤体特性的影响207

11.6 THMC耦合作用特性试验机研制208

11.7 热力（TM）耦合作用特性211

11.7.1 高温下岩石的力学特性211

11.7.2 岩石的热学特性217

11.8 THM耦合作用下岩石渗透特征220

11.9 TEMC耦合作用的本构规律222

11.9.1 气煤热解的TEMC耦合作用本构规律222

11.9.2 钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性227

第12章 多孔介质多场耦合作用的理论架构231

12.1 理论架构231

12.2 多孔介质多场耦合作用的机理分析232

12.2.1 其他物理场对固体介质性态的影响232

12.2.2 其他物理场对渗流的影响233

12.2.3 其他物理场对热量传输特性的影响233

12.2.4 其他物理场对传质特性的影响234

12.3 多孔介质多场耦合作用的耦合数学模型234

12.4 解耦策略与方法235

第13章 固体变形与液体渗流耦合作用及其应用237

13.1 连续介质固体变形与水渗流耦合作用模型及解法237

13.1.1 数学模型237

13.1.2 连续介质岩体水力学模型的有限元解法238

13.2 拟连续介质岩体水力学模型239

13.3 裂隙介质岩体水力学模型240

13.4 煤层注水工程241

13.4.1 煤体渗透特性分类241

13.4.2 煤层注水防治冲击地压工程243

13.4.3 煤层注水防治煤尘244

13.4.4 煤层注水软化中硬煤试验放顶煤开采245

13.5 承压水上采煤的裂隙介质固流耦合理论247

13.5.1 带压开采三维裂隙介质固流耦合数学模型247

13.5.2 带压开采数值模拟248

13.5.3 顶板围岩应力的分布规律249

13.5.4 底板围岩应力分布规律250

13.5.5 底板围岩位移分布规律252

13.5.6 太原组含水层水位随工作面开采的变化规律253

13.6 固流耦合相似模拟理论与技术254

13.6.1 固流耦合相似理论255

13.6.2 固流耦合相似材料配制256

13.6.3 三维固流耦合模拟试验设备256

13.6.4 带压开采固流耦合模拟试验研究259

13.7 边坡稳定性分析265

13.8 水库诱发地震267

13.9 开采地下水引起的地面沉降269

第14章 岩体变形与气体渗流耦合作用与应用271

14.1 煤层瓦斯渗流研究进展271

14.2 拟连续介质煤体-瓦斯耦合作用数学模型272

14.2.1 煤体瓦斯耦合理论的物理基础272

14.2.2 瓦斯渗流方程273

14.2.3 可变形多孔介质的运动方程274

14.2.4 固气耦合数学模型274

14.3 固体变形与气体渗流耦合数学模型的数值解法275

14.3.1 瓦斯渗流方程的线性近似276

14.3.2 瓦斯渗流方程的泛函及离散277

14.3.3 固体变形方程的泛函及离散278

14.4 煤矿钻孔抽放瓦斯的数值分析280

14.4.1 试验区概况及模型简化280

14.4.2 钻孔抽放瓦斯的数值实验283

14.5 裂隙介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型284

14.5.1 物理基础284

14.5.2 气体渗流方程285

14.5.3 数值解法287

14.5.4 瓦斯抽放的数值模拟289

14.6 水力割缝改造低渗透煤层的理论与应用292

14.6.1 强化低渗透煤层瓦斯抽放的技术原理292

14.6.2 水力割缝抽放瓦斯的技术原理293

14.6.3 水力割缝抽放瓦斯的数值分析294

14.6.4 水力割缝成套装备的研制297

14.6.5 水力割缝强化本煤层瓦斯抽放的工业试验297

第15章 气液二相流体渗流与固体变形耦合作用与应用300

15.1 概述300

15.2 裂缝中气液二相流体渗流的混沌现象与混合介质渗流模型300

15.2.1 气液二相流体的混合渗流数学模型301

15.2.2 裂缝中气液二相流体渗流的数值模拟303

15.2.3 裂缝中气液二相流体渗流模拟实验305

15.3 拟连续介质气液二相流体渗流与固体变形的耦合数学模型307

15.4 气液二相流体固流耦合作用的工程响应308

第16章 固热耦合作用与应用311

16.1 固热耦合数学模型与工程应用分析311

16.1.1 数学模型311

16.1.2 冻结法凿井的固热耦合分析312

16.1.3 耦合分析方法313

16.1.4 固热耦合分析实例314

16.2 岩石的热破裂分析316

16.2.1 热破裂机理分析316

16.2.2 花岗岩颗粒尺寸分析317

16.2.3 500℃下花岗岩的高温热破裂特征分析317

16.2.4 加热过程中花岗岩的热破裂演化319

16.2.5 花岗岩热破裂特征320

16.3 岩石热破裂门槛值的数值实验320

16.3.1 平面随机非均质热弹塑性力学模型320

16.3.2 数值实验方法321

16.3.3 岩石热破裂门槛值的数值实验研究322

16.4 随机介质固热耦合数学模型与应用分析323

16.4.1 基本假设323

16.4.2 随机介质固热耦合数学模型323

16.4.3 数值实验模型324

16.4.4 韦伯分布下岩石热破裂325

16.4.5 指数分布下岩石热破裂327

第17章 固流热耦合作用与地热开采和核废料处置330

17.1 裂隙介质固流热耦合数学模型与求解330

17.1.1 物理基础330

17.1.2 裂隙介质固流热耦合数学模型331

17.1.3 求解策略与计算程序设计335

17.2 高温岩体地热开采的数值实验336

17.2.1 数值试验的模型简化336

17.2.2 地热开采过程中热能迁移规律338

17.2.3 地热开采过程中裂缝水压及宽度变化规律340

17.2.4 裂缝面温度、应力随开采时间的变化规律342

17.2.5 裂缝宽度随开采时间的变化规律346

17.2.6 出力与寿命的研究346

17.3 核废料处置的固流热耦合分析348

17.3.1 FEBEX原位试验THM耦合数值模拟348

17.3.2 DECOVALEX计划的BMT1模型的THM耦合数值模拟349

第18章 岩体控制压裂351

18.1 经典水力压裂法及其地应力测量351

18.1.1 压裂方法351

18.1.2 理论分析352

18.1.3 试验资料354

18.1.4 经典水力压裂裂缝的扩展规律356

18.1.5 水力压裂的剪切破裂机理358

18.2 地面钻孔控制压裂的应用359

18.2.1 煤层气开采360

18.2.2 水压致裂法地下处置核废料361

18.2.3 高温岩体地热开采的巨型水力压裂365

18.3 盐类矿床压裂-溶解理论与应用366

18.3.1 盐类矿床压裂-溶解理论366

18.3.2 水压致裂形成水平裂缝的机理369

18.3.3 芒硝矿开采的群井致裂工业实施369

第19章 极不完全热解反应的热流固化学耦合作用及油页岩油气开采373

19.1 引言373

19.2 油页岩原位开采技术374

19.3 油页岩原位注蒸汽开采的热流固耦合数学模型375

19.3.1 基本假设375

19.3.2 气液两相混合物渗流方程376

19.3.3 热量传输方程378

19.3.4 岩体变形方程379

19.3.5 油页岩原位注蒸汽开采的热流固耦合数学模型379

19.4 油页岩原位注蒸汽开采的热流固耦合数学模型的数值解法380

19.5 油页岩原位注蒸汽开采油气的数值模拟381

19.5.1 水蒸气、水及油页岩物理参数381

19.5.2 计算模型简化382

19.5.3 数值模拟结果及分析383

第20章 较完全热解反应的THMC耦合作用与矿物开采390

20.1 煤炭地下气化开采390

20.2 煤炭地下气化空间THC耦合作用分析391

20.3 煤炭地下气化煤体THM耦合作用分析393

20.4 煤炭地下气化采场围岩热力耦合作用分析394

20.4.1 气化采场煤体围岩热力耦合数学模型394

20.4.2 气化采场围岩温度场数值模拟394

20.4.3 煤炭地下气化采场矿山压力分布规律的数值模拟396

20.5 天然气水合物开采400

20.5.1 天然气水合物400

20.5.2 开采方法400

20.5.3 天然气水合物减压法开采的数学模型401

20.5.4 减压法开采天然气水合物的数值模拟402

第21章 较完全溶解反应的THMC耦合作用与盐矿水溶开采405

21.1 引言405

21.2 盐类矿床水溶开采机理406

21.2.1 盐矿水溶机理406

21.2.2 盐类矿物的溶解特性407

21.2.3 水溶开采的动力学原理408

21.3 水溶开采固流热传质耦合数学模型409

21.3.1 流体运移方程409

21.3.2 固体变形及裂缝变形方程411

21.3.3 溶质扩散方程412

21.3.4 溶腔中化学流体的热传输方程412

21.3.5 水溶开采固流热传质耦合数学模型413

21.4 盐矿水溶开采的THMC耦合作用的数值模拟414

21.4.1 双井对流水溶开采的数值模拟414

21.4.2 群井控制水溶开采数值模拟418

21.5 芒硝矿群井致裂控制水溶开采技术及应用421

21.5.1 群井致裂控制水溶开采的技术原理421

21.5.2 运城盐湖芒硝矿区地质简介422

21.5.3 群井致裂连通的工业实施422

21.5.4 群井控制水溶开采实施423

第22章 极不完全溶解反应的THMC耦合作用与溶浸采矿426

22.1 引言426

22.2 极不完全溶解反应动力学与物化实验426

22.2.1 钙芒硝矿溶解机理分析426

22.2.2 钙芒硝矿溶解实验研究428

22.2.3 溶解传输的颗粒模型428

22.3 钙芒硝矿床原位水溶开采的HMC耦合数学模型430

22.3.1 HMC耦合数学模型430

22.3.2 钙芒硝矿床原位水溶开采的数值模拟431

22.3.3 数值模拟结果431

22.4 钙芒硝矿群井致裂压力浸泡原位水溶开采的工业试验433

22.4.1 钙芒硝矿的原位溶浸开采方法433

22.4.2 群井致裂实施434

22.4.3 钙芒硝矿压力浸泡原位溶采435

22.5 金属矿的溶浸开采436

22.5.1 铀钍矿的资源特征436

22.5.2 铀矿的堆浸437

22.5.3 铀矿的原位溶浸开采439

22.5.4 铜矿的原位溶浸开采439

参考文献441

附录463