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煤力学
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煤力学是岩石力学学科一个新的分支，是从防治煤矿瓦斯灾害和瓦斯资源化利用的角度出发，研究含瓦斯煤在地下采矿应力场环境中的力学性能的理论和应用科学，为煤炭和煤层瓦斯资源的开发和安全生产提供理论基础。本书共分11章，主要介绍煤力学的定义、煤的生成与变质、煤的基本物理性质与孔裂隙特征、煤的瓦斯吸附与解吸性能、煤力学基础、含瓦斯煤的强度与变形、煤的渗透特性及渗透率演化模型、地应力及煤层瓦斯赋存、煤层中的瓦斯流动理论、煤力学在卸压瓦斯抽采及在煤与瓦斯突出中的应用。
样章试读
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 煤与煤系地层 1
1.1.1 煤与煤层瓦斯 1
1.1.2 煤系地层 4
1.2 煤的结构与物理简化模型 9
1.2.1 煤的孔隙与裂隙 9
1.2.2 煤的物理简化模型 14
1.3 煤与岩石的对比 16
1.3.1 结构与强度对比 16
1.3.2 吸附性能对比 16
1.3.3 灾害对比 17
1.4 煤力学的研究内容 18
1.4.1 煤力学的定义 18
1.4.2 煤力学的发展 19
1.4.3 本书的结构 21
参考文献 22
第2章 煤的生成与变质 29
2.1 成煤作用 29
2.2 煤化作用 30
2.2.1 煤成岩作用 30
2.2.2 煤变质作用 31
2.3 煤的显微组成和变质类型 31
2.3.1 煤的显微组分 31
2.3.2 煤的变质类型 33
2.4 煤中瓦斯生成 35
2.4.1 生物化学成煤时期瓦斯生成 35
2.4.2 煤化变质作用时期瓦斯生成 35
2.4.3 煤层瓦斯的成分 36
2.4.4 煤层瓦斯的赋存状态 40
2.5 岩浆侵入对煤的变质及瓦斯赋存的影响 42
2.5.1 岩浆侵入煤层的方式 42
2.5.2 岩浆的热温度场分析 43
2.5.3 岩浆对煤的变质程度的影响 46
2.5.4 岩浆对瓦斯赋存的影响 47
参考文献 53
第3章 煤的基本物理性质与孔裂隙特征 55
3.1 煤的基本物理性质 55
3.1.1 煤的水分 56
3.1.2 煤的灰分 57
3.1.3 煤的挥发分 58
3.1.4 煤的密度 59
3.1.5 煤的硬度 60
3.2 煤的孔隙特征 62
3.2.1 煤的孔隙分类 62
3.2.2 煤的孔隙测定方法 63
3.2.3 煤的孔隙结构表征 67
3.3 煤的裂隙特征 71
3.3.1 煤的裂隙分类 71
3.3.2 煤的裂隙分布 71
3.4 煤的基质特征 74
3.4.1 煤基质定义 74
3.4.2 煤基质尺度 74
参考文献 77
第4章 煤的瓦斯吸附与解吸性能 79
4.1 煤的瓦斯吸附性能 79
4.1.1 煤对瓦斯的吸附原理 79
4.1.2 煤的瓦斯吸附规律 79
4.1.3 影响煤吸附性能的主要因素 81
4.1.4 煤的吸附性能测试方法 87
4.2 煤的瓦斯解吸性能 91
4.2.1 瓦斯解吸原理 91
4.2.2 影响瓦斯解吸性能的主要因素 92
4.2.3 煤的瓦斯解吸模型 96
4.2.4 煤的瓦斯解吸性能测试方法 99
4.2.5 煤的瓦斯解吸性能在瓦斯含量测定中的应用 99
4.3 煤的瓦斯扩散 103
4.3.1 煤的瓦斯扩散的物理过程 103
4.3.2 煤的瓦斯扩散的数学模型 104
4.3.3 钻屑瓦斯解吸指标K1 106
参考文献 108
第5章 煤力学基础 110
5.1 应力状态 110
5.1.1 应力的概念 110
5.1.2 一点的应力状态描述 111
5.1.3 平面应力状态及应力圆 112
5.1.4 主应力与主方向 116
5.2 应变状态 117
5.2.1 变形与应变的概念 117
5.2.2 几何方程 118
5.2.3 主应变与体积应变 120
5.3 强度准则 122
5.3.1 Mohr-Coulomb准则 122
5.3.2 D-P准则 123
5.3.3 格里菲斯准则 124
5.4 有效应力 125
参考文献 126
第6章 含瓦斯煤的强度与变形 128
6.1 含瓦斯煤的力学特性试验 128
6.1.1 试验仪器及试验原理 129
6.1.2 含瓦斯煤强度试验的基本要求 131
6.1.3 煤样制备方法 131
6.2 含瓦斯煤的强度特性 136
6.2.1 煤的常规压缩试验 137
6.2.2 含瓦斯煤的峰前卸围压试验 141
6.2.3 含瓦斯煤的强度特性分析 145
6.3 含瓦斯煤的变形特性 154
6.3.1 含瓦斯煤的变形特性分析 154
6.3.2 瓦斯对煤的变形特性的影响 158
6.4 含瓦斯煤的本构方程 159
6.4.1 煤的本构关系特征分析 159
6.4.2 线弹性阶段 162
6.4.3 非线性弹塑性阶段 164
6.4.4 理想塑性阶段 165
6.4.5 应变软化阶段 165
6.5 含瓦斯煤的宏观破坏特征 166
6.6 含瓦斯煤的破坏机理及强度理论 168
6.6.1 C.D.Martin裂隙应变模型 168
6.6.2 煤的损伤扩容渐进破坏机制 170
6.6.3 煤的损伤扩容屈服准则 172
参考文献 177
第7章 煤的渗透特性及渗透率演化模型 182
7.1 渗透率的基本概念与理论基础 182
7.1.1 渗透率的基本概念 182
7.1.2 渗透率演化的理论基础 186
7.2 经典渗透率演化模型 189
7.2.1 Palmer-Mansoori（P-M）模型 193
7.2.2 Shi-Durucan（S-D）模型 195
7.2.3 Robertson-Christiansen（R-C）模型 196
7.2.4 经典渗透率模型评价 198
7.3 煤的渗透特性试验仪器、原理及方法 203
7.4 有效应力与吸附变形对煤的渗透率的影响 206
7.4.1 煤的吸附变形 206
7.4.2 有效应力对渗透率的影响 209
7.4.3 吸附变形对渗透率的影响 210
7.4.4 有效应力与吸附变形的竞争作用 210
7.5 应力扰动对煤的渗透率的影响 214
7.5.1 加载过程中的渗透率演化规律 214
7.5.2 卸载过程中的渗透率演化规律 220
7.5.3 加卸载过程中的渗透率演化差异分析 224
7.5.4 卸载过程中煤的损伤演化与渗透率关系 227
7.6 应力扰动区煤的瓦斯运移过程中的渗透率演化模型 241
7.6.1 模型构建的基本思路 241
7.6.2 采动应力扰动作用下煤的渗透率演化模型 242
7.6.3 气固耦合作用下煤的渗透率演化模型 244
7.6.4 考虑采动应力扰动及气固耦合作用的煤的渗透率演化模型 248
参考文献 249
第8章 地应力及煤层瓦斯赋存 256
8.1 地应力的基本概念 256
8.1.1 地应力的概念 256
8.1.2 地应力的简单模型 257
8.2 地应力的现场测量方法 259
8.2.1 基本原理 259
8.2.2 水压致裂法 261
8.2.3 应力解除法 264
8.3 地应力随埋深的演化规律 268
8.3.1 地应力测试结果 268
8.3.2 地应力随埋深的演化规律 269
8.4 煤系地层构造应力 273
8.4.1 构造应力 273
8.4.2 构造对煤层赋存的影响 274
8.4.3 构造应力对煤的动力变质作用 275
8.5 瓦斯参数随埋深的变化 276
8.5.1 瓦斯压力随埋深的变化 276
8.5.2 瓦斯含量随埋深的变化 280
8.5.3 渗透率随埋深的变化 280
参考文献 283
第9章 煤层中的瓦斯流动理论 288
9.1 煤层瓦斯运移的基本规律 288
9.1.1 煤层瓦斯运移过程及基本假设 288
9.1.2 煤层瓦斯流场分类 292
9.2 孔隙中的瓦斯扩散理论 295
9.3 裂隙中的瓦斯渗流理论 297
9.4 煤与瓦斯气固耦合模型 299
9.4.1 煤与瓦斯气固耦合模型的构建 299
9.4.2 初始条件及边界条件 301
9.5 吸附平衡过程中煤样孔隙压力及渗透率演化规律 302
9.5.1 物理模型简介 303
9.5.2 孔隙压力随吸附平衡时间的演化特征 306
9.5.3 渗透率随吸附平衡时间的演化特征 309
9.6 抽采过程中的瓦斯流场特征 310
9.6.1 物理模型简介 312
9.6.2 抽采过程中瓦斯压力分布特征 312
9.6.3 瓦斯日抽采量的演化特征 314
参考文献 315
第10章 煤力学在卸压瓦斯抽采中的应用 319
10.1 卸压瓦斯抽采概述 319
10.2 采动应力及膨胀变形的演化规律 325
10.2.1 采动应力的演化规律 325
10.2.2 膨胀变形的时空特征 330
10.3 卸压煤层渗透率的时空分布规律 334
10.3.1 卸压煤层渗透率的时空分布规律预测的基本方法 334
10.3.2 卸压煤层体积应力及渗透率的时空分布规律 335
10.4 卸压瓦斯抽采及其流场特性 339
10.4.1 卸压瓦斯抽采流场的初始、边界条件 339
10.4.2 卸压瓦斯抽采过程分析 340
10.4.3 瓦斯日抽采量的演化特征 341
10.5 钻孔卸压瓦斯抽采方法 344
10.5.1 钻孔卸压瓦斯抽采方法简介 345
10.5.2 钻孔卸压瓦斯抽采应用效果 348
参考文献 352
第11章 煤力学在煤与瓦斯突出中的应用 354
11.1 煤与瓦斯突出概述 354
11.1.1 煤与瓦斯突出的规律 354
11.1.2 研究方法 359
11.2 煤与瓦斯突出的力学机制 361
11.2.1 煤与瓦斯突出假说 361
11.2.2 煤与瓦斯突出过程分析 363
11.3 煤与瓦斯突出的发动 364
11.3.1 煤与瓦斯突出前期的理论模型 364
11.3.2 煤与瓦斯突出发动的失稳判据 367
11.3.3 数值模型解算 371
11.3.4 煤与瓦斯突出发动的影响因素分析 372
11.3.5 煤的力学性质对突出倾向的影响 377
11.4 煤与瓦斯突出的发展过程 382
11.4.1 煤与瓦斯突出发展过程的特征分析 382
11.4.2 煤与瓦斯突出发展过程的验证分析 385
11.5 粉煤急速解吸对突出煤搬运的作用 390
11.5.1 突出发展过程中煤搬运所需瓦斯量 390
11.5.2 急速解吸瓦斯的来源 395
参考文献 400
附录 405
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