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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12章，主要包括绪论、煤的生成与变质、煤的孔隙、煤的瓦斯吸附与解吸性能、煤中瓦斯的扩散、煤力学基础、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及煤体力学在卸压瓦斯抽采、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 煤中瓦斯运移与煤的简化物理模型 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 18
1.4 煤力学研究内容与进展 18
1.4.1 煤力学定义 18
1.4.2 煤力学的发展 19
1.4.3 作者团队的研究进展 21
1.4.4 本书的结构 25
参考文献 26
第2章 煤的生成与变质 35
2.1 成煤作用 35
2.2 煤化作用 36
2.2.1 煤成岩作用 36
2.2.2 煤变质作用 36
2.3 煤的显微组分和变质类型 37
2.3.1 煤的显微组分 37
2.3.2 煤的变质类型 39
2.4 煤的基本物理性质 41
2.4.1 煤的水分 41
2.4.2 煤的灰分 43
2.4.3 煤的挥发分 44
2.4.4 煤的密度 45
2.4.5 煤的硬度 46
2.5 煤中瓦斯生成 47
2.5.1 生物化学作用成煤时期瓦斯生成 48
2.5.2 煤化变质作用时期瓦斯生成 48
2.5.3 煤层瓦斯的成分 49
2.5.4 煤层瓦斯的赋存状态 52
2.6 岩浆侵入对煤的变质及瓦斯赋存的影响 54
2.6.1 岩浆侵入煤层的方式 54
2.6.2 岩浆的热温度场分析 55
2.6.3 岩浆对煤的变质程度的影响 58
2.6.4 岩浆对瓦斯赋存的影响 60
参考文献 65
第3章 煤的孔隙 67
3.1 煤的孔隙成因与宏观（微观）特征 67
3.1.1 煤的孔隙成因类型 67
3.1.2 煤的孔隙宏观与显微特征 69
3.2 煤的孔隙分类 70
3.2.1 现有孔隙分类研究现状 70
3.2.2 基于甲烷微孔填充与运移的孔隙分类 74
3.3 煤孔隙测定方法 83
3.3.1 煤孔隙测定方法综述 83
3.3.2 压汞法 85
3.3.3 气体吸附法 86
3.3.4 吸附法孔隙分析模型 87
3.3.5 孔隙分形特征分析方法 93
3.4 煤的孔隙特征 95
3.4.1 实验煤样 95
3.4.2 压汞法孔隙特征分析 96
3.4.3 低压N2吸附法孔隙特征分析 101
3.4.4 低压CO2吸附法孔隙特征分析 106
3.4.5 煤孔隙特征的综合分析 109
3.4.6 构造破坏对煤孔隙特性的影响 111
3.5 煤的裂隙特征 114
3.5.1 煤的裂隙分类 114
3.5.2 煤的裂隙分布 115
3.6 煤的基质特征 118
3.6.1 煤的基质定义 118
3.6.2 煤的基质尺度 119
参考文献 123
第4章 煤的瓦斯吸附与解吸性能 128
4.1 甲烷的微孔填充与表面吸附 128
4.1.1 煤与甲烷分子的相互作用 128
4.1.2 甲烷的微孔填充 128
4.1.3 甲烷的表面吸附 130
4.1.4 煤对甲烷吸附的计算分析 130
4.2 甲烷吸附与解吸性能测定方法 133
4.2.1 甲烷吸附性能测定方法 133
4.2.2 甲烷解吸性能测定方法 135
4.3 煤的甲烷吸附性能分析 136
4.3.1 等温吸附数据计算方法 136
4.3.2 吸附模型及应用 138
4.3.3 影响煤吸附性能的主要因素 140
4.4 煤的瓦斯解吸性能 148
4.4.1 瓦斯解吸原理 148
4.4.2 影响煤的瓦斯解吸性能的主要因素 148
4.4.3 煤的瓦斯解吸模型 152
4.4.4 煤的瓦斯解吸性能在瓦斯含量测定中的应用 155
参考文献 159
第5章 煤中瓦斯的扩散 161
5.1 煤中瓦斯的扩散过程 161
5.1.1 瓦斯扩散的定义及描述 161
5.1.2 煤中瓦斯的扩散形式 162
5.1.3 瓦斯扩散的边界效应 168
5.1.4 瓦斯扩散的影响因素 169
5.2 煤粒瓦斯扩散 173
5.2.1 反应动力学模型 173
5.2.2 瓦斯扩散模型 175
5.2.3 瓦斯扩散经验模型 182
5.2.4 煤粒瓦斯扩散的实验分析 184
5.3 煤体瓦斯扩散 188
5.3.1 煤粒与煤体扩散的差异性 188
5.3.2 煤体扩散的测定方法 190
5.3.3 煤体瓦斯扩散的实验分析 198
参考文献 202
第6章 煤体力学基础 208
6.1 应力状态 208
6.1.1 应力的概念 208
6.1.2 一点的应力状态描述 209
6.1.3 平面应力状态及应力圆 210
6.1.4 主应力与主方向 213
6.2 应变状态 215
6.2.1 变形与应变的概念 215
6.2.2 几何方程 216
6.2.3 主应变与体积应变 218
6.3 强度准则 220
6.3.1 Mohr-Coulomb强度准则 220
6.3.2 Drucker-Prager准则 221
6.3.3 Griffith强度准则 222
6.4 有效应力 223
参考文献 224
第7章 煤的强度与变形 226
7.1 构造作用对煤的影响 226
7.2 煤的力学特性实验方法 228
7.2.1 煤粒煤样制备方法 228
7.2.2 力学实验标准试样基本要求 229
7.2.3 原生柱状煤样制备 230
7.2.4 构造煤型煤制备 231
7.2.5 煤粒力学特性实验方法 243
7.2.6 煤体力学性能实验方法 247
7.3 煤粒力学特性 249
7.3.1 煤粒强度 249
7.3.2 煤粒变形特性 255
7.3.3 煤粒的破碎能量分析 261
7.4 含瓦斯煤的强度特性 268
7.4.1 煤的常规压缩实验 268
7.4.2 含瓦斯煤的峰前卸围压实验 271
7.4.3 含瓦斯煤的强度特性分析 273
7.5 含瓦斯煤的变形特性 281
7.5.1 含瓦斯煤的变形特性分析 281
7.5.2 瓦斯对煤体变形特性的影响 283
7.6 含瓦斯煤的本构方程 284
7.6.1 煤的本构关系特征 284
7.6.2 线弹性阶段 286
7.6.3 弹塑性阶段 288
7.6.4 理想塑性阶段 288
7.6.5 应变软化阶段 289
7.7 含瓦斯煤的微观变形和宏观破坏特征 289
7.7.1 含瓦斯煤的微观变形特征 289
7.7.2 含瓦斯煤的宏观破坏特征 292
7.8 含瓦斯煤的损伤扩容 293
7.8.1 C.D.Martin裂隙应变模型 293
7.8.2 煤体损伤扩容渐进破坏机制 295
参考文献 297
第8章 煤的渗透特性及渗透率演化模型 303
8.1 渗透性的基本概念与理论基础 303
8.1.1 渗透性的基本概念 303
8.1.2 渗透性演化的理论基础 307
8.2 经典渗透性演化模型 310
8.2.1 Palmer-Mansoori（PM）模型 314
8.2.2 Shi-Durucan（SD）模型 315
8.2.3 Robertson-Christiansen（RC）模型 316
8.2.4 经典渗透率模型评价 319
8.3 煤的渗透特性实验仪器、原理及方法 323
8.4 有效应力与吸附变形对煤体渗透性的影响 326
8.4.1 煤的吸附变形 326
8.4.2 有效应力对渗透率的影响 329
8.4.3 吸附变形对渗透率的影响 332
8.4.4 有效应力与吸附变形的竞争作用 332
8.5 高应力煤体微观损伤渗透率演化 336
8.5.1 加卸载过程中的渗透率演化 336
8.5.2 高应力煤体微观损伤渗透率演化机制 338
8.6 不同应力路径下煤体损伤渗透性演化规律 339
8.6.1 常规三轴加载过程煤样渗透率演化规律 339
8.6.2 峰前卸围压应力路径下煤样渗透率演化规律 342
8.6.3 应力路径对煤体渗透率演化的影响特征 344
8.7 应力扰动区煤体瓦斯运移过程中的渗透率演化模型 344
8.7.1 模型构建的基本思路 344
8.7.2 采动应力扰动作用下煤体渗透率演化模型 345
8.7.3 气固耦合作用下煤体渗透率演化模型 347
8.7.4 考虑采动应力扰动及气固耦合作用的煤体渗透率演化模型 351
参考文献 351
第9章 地应力及煤层瓦斯赋存 357
9.1 地应力的基本概念 357
9.1.1 地应力的概念 357
9.1.2 地应力的简单模型 358
9.2 地应力的现场测量方法 360
9.2.1 基本原理 360
9.2.2 水压致裂法 361
9.2.3 应力解除法 364
9.3 地应力随埋深的演化规律 368
9.3.1 地应力测试结果 368
9.3.2 地应力随埋深的变化 369
9.4 煤系地层构造应力 373
9.4.1 构造应力 373
9.4.2 构造对煤层赋存的影响 373
9.4.3 构造应力对煤的动力变质作用 376
9.5 典型矿区地应力特征 377
9.5.1 平顶山矿区地应力特征 377
9.5.2 淮南矿区地应力特征 382
9.6 瓦斯参数随埋深的变化 384
9.6.1 瓦斯压力随埋深的变化 384
9.6.2 瓦斯含量随埋深的变化 387
9.6.3 瓦斯渗透率随埋深的变化 388
参考文献 390
第10章 煤层中的瓦斯流动理论 395
10.1 煤层瓦斯运移的基本规律 395
10.1.1 煤层瓦斯运移过程及基本假设 395
10.1.2 煤层瓦斯流场分类 398
10.2 孔隙中的瓦斯扩散理论 401
10.3 裂隙中的瓦斯渗流理论 403
10.4 煤与瓦斯气固耦合模型 405
10.4.1 煤与瓦斯气固耦合模型的构建 406
10.4.2 初始条件及边界条件 407
10.5 吸附平衡过程中煤样孔隙压力及渗透性演化规律 409
10.5.1 物理模型简介 409
10.5.2 孔隙压力随吸附平衡时间的演化特征 413
10.5.3 渗透率随吸附平衡时间的演化特征 415
10.6 抽采过程中的瓦斯流场特征 417
10.6.1 物理模型简介 417
10.6.2 抽采过程中瓦斯压力分布特征 419
10.6.3 瓦斯日抽采量的演化特征 420
参考文献 421
第11章 煤体力学在卸压瓦斯抽采中的应用 424
11.1 卸压瓦斯抽采概述 424
11.2 采动应力及膨胀变形的演化规律 431
11.2.1 采动应力的演化规律 431
11.2.2 膨胀变形的时空特征 436
11.3 卸压煤层渗透率的时空分布规律 440
11.3.1 卸压煤层渗透率的时空分布规律预测的基本方法 440
11.3.2 卸压煤层体积应力及渗透率的时空分布特征 441
11.4 卸压瓦斯抽采及其流场特性 445
11.4.1 卸压瓦斯抽采流场的初始、边界条件 445
11.4.2 卸压瓦斯抽采过程分析 446
11.4.3 瓦斯日抽采量的演化特征 447
11.5 钻孔卸压瓦斯抽采方法 450
11.5.1 钻孔卸压瓦斯抽采方法简介 451
11.5.2 钻孔卸压瓦斯抽采应用效果 453
参考文献 457
第12章 煤体力学在煤与瓦斯突出中的应用 459
12.1 煤与瓦斯突出概述 459
12.1.1 煤与瓦斯突出的规律 459
12.1.2 研究方法 464
12.2 煤与瓦斯突出的力学机制 466
12.2.1 煤与瓦斯突出假说 466
12.2.2 煤与瓦斯突出过程分析 468
12.3 煤与瓦斯突出的孕育与激发 469
12.3.1 煤与瓦斯突出的潜能表征 469
12.3.2 煤体变形能对瓦斯膨胀能释放的控制作用 478
12.3.3 煤与瓦斯突出孕育阶段的能量释放原理 481
12.3.4 实验室煤与瓦斯突出模拟的能量释放分析 482
12.3.5 煤与瓦斯突出孕育阶段的次声信号 486
12.4 煤与瓦斯突出的发展过程 490
12.4.1 煤与瓦斯突出发展过程特征分析 490
12.4.2 煤与瓦斯突出发展过程的验证分析 493
12.5 粉煤急速解吸对突出煤体搬运的作用 498
12.5.1 突出发展过程中煤体搬运所需瓦斯量 498
12.5.2 急速解吸瓦斯的来源 502
参考文献 508
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