多孔介质多场耦合作用及其工程响应

定　　价：128 元

丛书名：普通高等教育“十三五”规划教材

• 作者：赵阳升著
• 出版时间：2010/6/1
• ISBN：9787030275738
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：O357.3 
• 页码：468页
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K

内容简介

      全书共22章，系统论述与介绍了多孔介质多场耦合作用这一新兴学科领域的理论、实验、工程技术的各个方面。本书先介绍了多孔介质固体、流体特性与普遍的守恒定律以及渗流力学、固体力学、传热传质学、热力学与反应动力学、逾渗理论、数值解法的核心内容，这些也是本书的基础理论。本书用12章的篇幅介绍了各种多孔介质多场耦合作用的实验方法、实验设备和新的物性规律，详细论述了其理论架构、各类耦合问题的理论、相关工艺与工程实例。书中内容囊括了作者及其学术团队二十多年的大量研究成果，也涵盖了国内外相关研究的最新进展。
本书可作为资源能源、土木、环境、地质、力学、物理学、化学等工程与科学领域的工程技术人员、研究者、本科生、硕士与博士研究生的重要参考书。

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作者介绍

        赵阳升，1955年12月生，博士、教授、博士生导师、长江学者，现任太原理工大学矿业工程学院院长、采矿工艺研究所所长。长期从事采矿工程与岩石力学领域的教学科研工作，发明了“盐类矿床群井致裂控制水溶开采方法”，该项目获得2005年度国家技术发明二等奖，还获得三项山

目 录

目录
序
前言
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 岩体介质性态随类 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 平面应力问题 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 THMC耦合作用的本构规律 222
11.9.1 气煤热解的THMC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釆的变化规律 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 带压开釆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 地热开釆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、应力随开釆时间的变化规律 342
17.2.5 裂缝宽度随开釆时间的变化规律 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 煤层气开釆 360
18.2.2 水压致裂法地下处置核废料 361
18.2.3 高温岩体地热开釆的巨型水力压裂 365
18.3 盐类矿床压裂-溶解理论域用 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釆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 煤炭地下气慨采 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 气化釆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 开釆方法 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 水溶开釆的动力学原理 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 双井对流水溶开釆的数值模拟 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洛开采技术及应用 421
21.5.1 群井致裂控制水溶开釆的技术原理 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 街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釆的数值模拟 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 耗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 铀社矿的资源特征 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 铜矿的原位溶浸开釆 439
参考文献 441
附录 463

文 摘

  
面对千姿百态、种类繁多的自然界和复杂的物质世界，如何来研究，如何提出具有共性的理论，这是科学界所面临的重大难题。全世界科学的先哲们，用他们天才的智慧和惊人的胆识，从复杂的、运动着的物质世界，找到了共性的东西，并抽象出了科学的概念，提出了科学的理论，才奠定了科学的基础。这个基础是如此之牢固，以至于对今天如此越垒越高、越建越大的科学大厦，没有出现丝毫的基础薄弱；另一方面，这套科学理论是如此之完美，以至于在建造科学大厦的同时，从未发生过分支学科间的矛盾。同步可以扩充基础和建造高楼，这些独具匠心的发现与发明，为后