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内容简介

　　《含瓦斯煤岩破坏失稳力学作用机理及其应用》系统介绍含瓦斯煤岩破坏失稳力学作用机理及其在工程中的应用。全书共6章。第1章总结和评述含瓦斯煤岩多场耦合破坏失稳相关领域的研究进展；第2章研究煤储层孔裂隙结构特征及瓦斯赋存状态；第3章研究含瓦斯煤岩破坏过程中热流固耦合作用机理；第4章研究含瓦斯煤岩剪切变形破坏过程及其损伤演化规律；第5章研究不同应力条件下煤与瓦斯突出破坏失稳过程；第6章研究含瓦斯煤岩体稳定性分析的强度和能量判据及其在煤与瓦斯突出区域预测中的应用。
　　《含瓦斯煤岩破坏失稳力学作用机理及其应用》可供采矿工程、安全技术及工程、岩土工程等相关领域的科研人员使用，也可作为高等院校相关专业研究生和本科生的教学参考书。

内页插图

目录

前言

第1章 绪论
1．1 研究背景及意义
1．2 研究现状评述
1．2．1 煤与瓦斯突出机理研究进展
1．2．2 煤层瓦斯赋存状态及其吸附解吸特性研究进展
1．2．3 含瓦斯煤岩三轴压缩力学及破坏特性研究进展
1．2．4 含瓦斯煤岩固气耦合渗流理论及试验研究进展
1．2．5 含瓦斯煤岩剪切破断裂纹宏细观演化规律研究进展
1．2．6 煤与瓦斯突出破坏失稳过程物理模拟试验研究进展
1．3 主要研究内容及方法

第2章 突出煤层孔裂隙结构特征及瓦斯赋存状态
2．1 概述
2．2 煤储层fL裂隙结构特征
2．2．1 孔裂隙成因及分类
2．2．2 煤孔隙特征
2．2．3 煤裂隙结构的分形特征
2．3 煤储层瓦斯赋存状态
2．3．1 煤储层瓦斯赋存机理
2．3．2 等温吸附试验及瓦斯吸附常数
2．3．3 煤储层瓦斯源失稳分析
2．4 本章小结

第3章 含瓦斯煤岩破坏过程中热流固耦合力学作用机理
3．1 概述
3．2 含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制
3．2．1 研制思路及目的
3．2．2 渗流装置的技术方案
3．2．3 渗流装置的技术指标及优点
3．2．4 试验操作方法
3．3 煤样制备及试验内容
3．3．1 煤样采集及制作
3．3．2 试验内容
3．4 多场耦合效应下含瓦斯煤岩力学特性
3．4．1 围压对含瓦斯煤岩力学特性的影响
3．4．2 瓦斯对含瓦斯煤岩力学特性的影响
3．4．3 温度对含瓦斯煤岩力学特性的影响
3．4．4 考虑热流固耦合效应的含瓦斯煤岩强度准则
3．4．5 含瓦斯煤岩三轴压缩破坏过程中的能量分析
3．5 含瓦斯煤岩破坏过程中的渗透特性
3．5．1 煤岩三轴压缩破坏过程中瓦斯渗流规律
3．5．2 热力耦合作用对煤岩瓦斯渗流的影响
3．5．3 基质收缩效应对煤岩瓦斯渗流的影响
3．5．4 考虑热流固耦合效应的煤储层渗透率计算模型
3．6 本章小结

第4章 含瓦斯煤岩剪切变形破坏过程及其损伤演化规律
4．1 概述
4．2 含瓦斯煤岩细观剪切试验装置的研制
4．2．1 研制思路及目的
4．2．2 剪切装置的技术方案
4．2．3 剪切装置的技术指标及优点
4．2．4 剪切实验操作方法
4．3 含瓦斯煤岩剪切力学特性试验
4．3．1 试件制作
4．3．2 试验方法
4．3．3 试验结果
4．4 含瓦斯煤岩抗剪力学性能及其剪切破坏损伤演化过程
4．4．1 含瓦斯煤岩抗剪力学性能
4．4．2 含瓦斯煤岩剪切过程中细观裂纹演化分析
4．4．3 含瓦斯煤岩剪切破坏力学机理
4．5 含瓦斯煤岩剪切破坏损伤演化的分形特征
4．6 本章小结

第5章 煤与瓦斯突出失稳破坏过程物理模拟研究
第6章 含瓦斯煤岩体稳定性判据及其应用
参考文献

前言/序言

　　煤与瓦斯突出严重威胁着我国煤矿的安全生产和矿工的生命安全，由于灾謇影响因素众多，其发生机理及探测预防技术一直是我国煤矿安全研究领域的重点和难点。随着煤矿开采往深部发展，煤与瓦斯突出事故发生频率提高，突出强度增大，人员伤亡更为惨重，给煤矿安全生产造成了阴影。对于煤与瓦斯突出的机制，学者们虽然提出了众多假说，但对煤与瓦斯突出启动条件、发展过程及主控因素仍难以达成共识，导致对煤与瓦斯突出研究还远未达到机理清晰、规律明确的程度，特别是深部煤层赋存环境十分复杂，地压大、瓦斯压力高、地温影响日渐突出，加上我国煤层普遍存在渗透率低的特点，深部复杂地质条件下的煤与瓦斯突出动力学演化及其控制还有待于深入研究。
　　从综合作用假说的观点来看，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤的物理力学性质等因素综合作用下发生的灾变行为，可以从力学角度解释为流固耦合作用下的含瓦斯煤岩体破坏失稳的问题。本书研究内容正是为了深入认识煤岩体与瓦斯气体之间的耦合特征及相互作用机理，并针对随采矿活动向深部发展而带来的高地应力、高瓦斯压力、低渗透煤体不易抽采煤层瓦斯且易发生煤与瓦斯突出灾害等重大工程实际和理论问题而提出的。目前，国内外在含瓦斯煤岩的力学破坏特征和变形演化规律、煤层瓦斯运移规律及煤与瓦斯突出发生机理方面已有不少研究成果，但是多场耦合作用下的含瓦斯煤岩力学破坏过程中的渗流规律、含瓦斯煤岩抗剪性能的宏、细观演化规律等研究成果却较少，煤与瓦斯突出过程中的失稳破坏力学作用机理尚待深入研究。因此，本书在对含瓦斯煤岩基本物理力学性质、含瓦斯煤岩变形破坏过程中的渗流特性、含瓦斯煤岩剪切面裂纹宏细观演化规律、不同应力条件下的煤与瓦斯突出演化特征等进行实验研究的基础上，探讨含瓦斯煤岩流固耦合效应下的失稳破坏力学作用机理。
　　全书共6章。第1章结合本书主要研究内容，对煤与瓦斯突出发生机理、煤层瓦斯赋存状态及其吸附解吸特性、含瓦斯煤岩三轴压缩力学及破坏特性、含瓦斯煤岩固气耦合渗流试验及理论、含瓦斯煤岩剪切破坏裂纹宏细观演化规律、煤与瓦斯突出破坏失稳过程模拟试验等方面的研究成果进行总结和评述。第2章分析突出煤岩原生孔裂隙结构特征，并利用HCA型高压容量法吸附装置对其吸附瓦斯特性进行试验研究，得到不同温度下的等温吸附曲线及吸附常数口、6值随温度的变化规律；在此基础上，提出瓦斯源失稳概念，并对煤储层瓦斯源失稳状态进行分析。第3章介绍自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置。该装置为开展含瓦斯煤岩破坏过程中的热流固耦合效应研究提供了有力的试验手段，利用该装置开展较为系统的含瓦斯煤岩三轴压缩全应力应变过程中的力学特性及渗流特性试验，探讨含瓦斯煤岩破坏过程中应力一瓦斯一温度耦合作用机理，并推导完全理想约束条件下瓦斯吸附膨胀应力及热膨胀应力的计算公式。通过考虑其对含瓦斯煤岩有效应力的影响，进而对Drucker-Prager强度准则进行修正，修正后的含瓦斯煤岩强度准则能较好地反映出不同条件下型煤及原煤试件在三轴压缩应力状态下的峰值强度特征。同时建立考虑煤基质收缩效应及热膨胀效应的煤储层渗透率模型，并通过实验所测渗透率数据对其实用性及合理性进行了验证。结果表明，考虑基质收缩效应及热膨胀效应影响的渗透率模型曲线能够较好地反映实测渗透率的变化趋势。第4章介绍自主研制的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置，提出含瓦斯煤岩细观剪切试验方法，并依此进行不同瓦斯压力、不同加载速率、不同正应力条件下的含瓦斯煤岩剪切试验，揭示剪切面裂纹的时空演化规律及其断裂力学机理，建立剪切面裂纹分形维数与断裂耗散能之间的关系方程。第5章通过不同垂直应力、不同水平应力、不同集中应力条件下煤与瓦斯突出破坏失稳过程模拟试验研究含瓦斯煤岩破坏失稳演化过程及其动力效应，获得含瓦斯煤岩破坏失稳演化过程中瓦斯压力、煤体温度、突出强度、孔洞形态和突出煤样分布等变化规律。第6章基于煤基质吸附瓦斯膨胀效应及热膨胀效应，修正煤与瓦斯突出危险性区域预测的强度判据及能量判据，并结合矿区三维地应力场数值模拟分析，将其应用于重庆三汇一矿Ki煤层的煤与瓦斯突出区域预测的实际工程中，预测结果与实际情况较为吻合。
　　针对煤与瓦斯突出发生机理及其控制理论，国内外学者们已开展了大量的试验及理论研究，并取得了丰硕的成果，本书研究内容只是在前人研究的基础上对该研究领域进行了一点补充和延伸。随着采矿活动往深部发展，有关深部煤与瓦斯突出发生机理及其控制理论方面的研究仍然还有很长路要走，需要继续与同行专家一起努力，共同为实现煤与瓦斯安全高效共采奋斗。
　　最后，感谢各基金项目对本书研究工作的资助，感谢重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室及复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室所提供的大力支持和帮助！
　　由于作者的水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者朋友批评指正。
　　作者
　　2015年10月于重庆大学
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