煤巖體蠕變滲透特性及滲流失穩(wěn)機理

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 煤巖力學(xué)特性研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 單軸壓縮下煤巖力學(xué)特性研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 三軸壓縮下煤巖力學(xué)特性研究現(xiàn)狀 5
1.2.3 煤巖蠕變力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀 7
1.3 煤巖滲透特性研究現(xiàn)狀 10
1.3.1 煤巖滲流試驗研究現(xiàn)狀 10
1.3.2 煤巖體變形與滲流時間效應(yīng)研究現(xiàn)狀 12
1.3.3 煤巖滲流理論研究現(xiàn)狀 13
第2章 煤巖體強度理論及試驗 18
2.1 煤巖體強度理論 18
2.1.1 煤巖體單軸強度及變形特性 18
2.1.2 煤巖三軸強度及變形特性 20
2.1.3 煤巖的破壞機理 22
2.1.4 煤巖的強度理論 23
2.2 煤巖蠕變的基本概念 31
2.3 煤巖蠕變的基本模型 33
2.3.1 基本元件模型 33
2.3.2 Maxwell模型 33
2.3.3 Kelvin模型 35
2.3.4 Kelvin-Voigt模型 37
2.3.5 Burgers模型 39
2.4 煤巖單軸壓縮試驗 42
2.4.1 試驗條件 42
2.4.2 試驗系統(tǒng) 42
2.4.3 單軸壓縮試驗結(jié)果 42
2.5 煤巖三軸壓縮試驗 44
2.5.1 三軸壓縮試驗概述 44
2.5.2 三軸壓縮試驗結(jié)果及分析 45
2.6 煤巖破壞過程中聲發(fā)射特性試驗 47
2.6.1 試驗設(shè)備及試驗原理 47
2.6.2 煤巖蠕變過程中聲發(fā)射特性 48
2.7 煤巖蠕變力學(xué)性質(zhì) 56
2.7.1 單級加載下煤巖蠕變試驗 56
2.7.2 分級加載下煤巖蠕變試驗 58
第3章 煤巖滲流基本概念及試驗系統(tǒng)研制 62
3.1 煤巖滲流的基本概念 62
3.1.1 孔隙率 62
3.1.2 孔隙比 62
3.1.3 比面 63
3.1.4 滲流速度Dupuit-Forchheimer關(guān)系式 63
3.1.5 滲透率與滲透系數(shù) 64
3.2 Darcy定律 65
3.3 非Darcy滲流 67
3.4 滲流基本方程 70
3.4.1 流體壓縮與膨脹系數(shù)-狀態(tài)方程 70
3.4.2 多孔介質(zhì)的壓縮系數(shù)-狀態(tài)方程 71
3.4.3 連續(xù)性方程 71
3.5 煤巖滲流試驗系統(tǒng)研制背景及意義 72
3.6 試驗系統(tǒng)的設(shè)計 73
3.6.1 試驗系統(tǒng)的構(gòu)成 73
3.6.2 試驗系統(tǒng)的組裝 74
3.7 破碎巖石三軸滲流試驗方法 75
第4章 側(cè)限條件下破碎煤巖滲透特性 79
4.1 破裂巖樣滲透特性試驗 79
4.1.1 試驗原理 80
4.1.2 圓形薄板制備及試驗方法 86
4.1.3 試驗結(jié)果與現(xiàn)象分析 88
4.2 破碎巖樣滲透特性試驗 92
4.2.1 多種礦物成分破碎巖石滲透特性試驗 92
4.2.2 混合破碎巖樣滲透特性試驗 106
4.3 孔隙率連續(xù)變化的破碎砂巖滲透特性 112
4.3.1 積分式模型的建立 112
4.3.2 孔隙率連續(xù)變化滲流試驗方法及測試結(jié)果 114
4.3.3 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析 116
第5章 煤巖變形與滲流的時間效應(yīng) 122
5.1 分級加載下破碎砂巖滲流試驗 122
5.1.1 試驗原理及方法 122
5.1.2 試樣制備及試驗設(shè)備 123
5.1.3 試驗結(jié)果及分析 125
5.2 破碎矸石分級加載蠕變過程中的滲流試驗 131
5.2.1 試驗方案及過程 131
5.2.2 各級應(yīng)力水平下的孔隙率時間歷程分析 132
5.2.3 破碎矸石蠕變模型及其參數(shù)確定 133
5.2.4 蠕變及滲透參數(shù)變化規(guī)律分析 135
5.3 破碎煤巖體滲透參量與孔隙率的關(guān)系 139
第6章 三軸應(yīng)力狀態(tài)下煤巖滲透特性 140
6.1 試驗系統(tǒng)及試驗方案 140
6.1.1 試驗系統(tǒng) 140
6.1.2 試驗方案 140
6.2 試驗原理及參數(shù)計算 142
6.2.1 孔隙率的計算 142
6.2.2 有效應(yīng)力的計算 144
6.3 破碎砂巖試驗結(jié)果及分析 145
6.3.1 有效應(yīng)力與滲流速度的關(guān)系 145
6.3.2 孔壓梯度與滲流速度的關(guān)系 147
6.3.3 圍壓與滲透率的關(guān)系 151
6.3.4 孔隙率與滲透特性的關(guān)系 153
6.4 破碎煤樣試驗結(jié)果及分析 156
6.4.1 孔壓梯度與滲流速度的關(guān)系 156
6.4.2 軸向位移與孔隙率的關(guān)系 164
6.4.3 圍壓與孔隙率的關(guān)系 165
6.4.4 軸向位移與滲透特性的關(guān)系 167
6.4.5 圍壓與滲透特性的關(guān)系 171
6.4.6 孔隙率與滲透特性的關(guān)系 175
第7章 破碎煤巖流固耦合問題 179
7.1 流固耦合問題描述 179
7.2 應(yīng)力場控制方程 180
7.2.1 應(yīng)力平衡方程 180
7.2.2 幾何方程 181
7.2.3 本構(gòu)方程 182
7.2.4 有效應(yīng)力方程 183
7.2.5 應(yīng)力場方程 183
7.3 滲流場方程 184
7.3.1 非Darcy滲流運動方程 185
7.3.2 連續(xù)性方程 185
7.4 輔助方程 187
7.4.1 狀態(tài)方程 187
7.4.2 滲透參量與孔隙率之間的關(guān)系方程 187
7.5 動力學(xué)模型 187
7.5.1 動力學(xué)方程組 188
7.5.2 初始條件和邊界條件 188
7.6 滲流穩(wěn)定性分析 188
7.7 破碎煤巖流固耦合模型數(shù)值分析 193
7.7.1 數(shù)值仿真軟件簡介 194
7.7.2 數(shù)值計算模型與網(wǎng)格劃分 194
7.7.3 數(shù)值模型計算參數(shù) 195
7.7.4 定解條件 195
7.7.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析 196
參考文獻(xiàn) 203