煤力学 9787030524867
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作者程远平,刘清泉,任廷祥
出版社中国科技出版传媒股份有限公司
ISBN9787030524867
出版时间2016-08
装帧精装
开本16开
定价139元
货号8956682
上书时间2024-06-30
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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
彩图
内容摘要
**章 绪论
本章要点
煤的生成、宏观煤岩成分、煤的结构、煤层瓦斯和煤系地层；
煤的孔隙与裂隙结构、煤的物理简化模型及其在煤力学研究中的重要性；
煤与岩石的结构、强度、吸附性能和灾害对比。
1.1 煤与煤系地层
1.1.1 煤与煤层瓦斯
1. 煤的生成
煤是一种固体可燃有机岩，是植物残骸经过复杂的生物化学、物理化学以及地球化学的成煤作用转变而成。煤主要由有机物质和少部分无机矿物质混合组成。煤中的有机物质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫5种元素组成，其中碳、氢、氧占有机物总量的95%以上。一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环组成，这些环的骨架是由碳元素构成的。随着煤化程度的提高，碳的含量提高，氢、氧含量降低，氮的含量略有降低。在我国泥炭中碳含量为55%～62%(干燥无灰基)，褐煤碳含量为60%~76.5%，烟煤碳含量为77%~92.7%，无烟煤碳含量在89%以上。煤中的无机物质主要是水和矿物质[1]。
成煤作用分为两个阶段。**阶段为泥炭化阶段或腐泥化阶段，主要发生在地表的泥炭沼泽、湖泊以及浅海地带，植物死亡后的遗体在各种微生物的作用下，不断分解、化合和聚积，起主要作用的是表生的生物地球化学作用，结果使低等植物转变为腐泥，高等植物形成泥炭；第二阶段为煤化作用阶段，已经形成的泥炭或腐泥，由于地壳的沉降被埋藏在地表深处，温度和压力不断升高而转化为物理化学作用，分为成岩作用和变质作用。泥炭转变为年轻褐煤所经受的作用称为成岩作用，从年轻褐煤转变为老褐煤、烟煤、无烟煤所经受的作用称为变质作用。
我国从早古生代腐泥煤类的石煤至第四纪泥炭，共有14个聚煤期，其中*重要的聚煤期是：①南方早石炭世；②华北石炭-二叠纪；③华南二叠纪；④华南晚三叠世；⑤西北早、中侏罗世；⑥东北晚侏罗-早白垩世；⑦东北、西南和沿海第三纪；共7个主要聚煤期。早、中侏罗世聚煤期煤炭资源量占全国总量的60%，华北石炭-二叠纪聚煤期资源量占全国煤炭资源总量的26%。
2. 宏观煤岩成分
宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分[1]。
镜煤是由植物的木质纤维组织经凝胶化作用转变而成。镜煤的显微组成比较单一，是一种简单的宏观煤岩成分。镜煤的颜色深黑、光泽强，是煤中颜色*深和光泽*强的成分。它质地纯净、结构均一，具贝壳状断口和内生裂隙。镜煤性脆，易碎成棱角状小块。在煤层中，镜煤常呈凸透镜状或条带状，条带厚几毫米至1~2cm，有时呈线理状存在于亮煤和暗煤之中。
丝炭是植物的木质纤维组织在缺水的多氧环境中缓慢氧化或由于森林火灾所形成。丝炭也是一种简单的宏观煤岩成分。丝炭的孔隙度大，吸氧性强，丝炭多的煤层易发生自燃。丝炭外观像木炭，颜色灰黑，具明显的纤维状结构和丝绢光泽。丝炭疏松多孔，性脆易碎，能染指。丝炭的胞腔有时被矿物质充填，称为矿化丝炭，矿化丝炭坚硬致密，密度较大。在煤层中，丝炭常呈扁平透镜体沿煤层的层理面分布，厚度多在几毫米之间，有时能形成不连续的薄层；个别地区，丝炭层的厚度可达几十厘米以上。
亮煤的组成比较复杂，它是在覆水的还原条件下，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用，并掺入一些由水或风带来的其他组分和矿物杂质转变而成。亮煤的光泽仅次于镜煤，一般呈黑色，较脆易碎，断面比较平坦，密度较小。亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见微细层理。亮煤有时也有内生裂隙，但不如镜煤发育。在煤层中，亮煤是*常见的宏观煤岩成分，常呈较厚的分层，有时甚至组成整个煤层。
暗煤的组成比较复杂，它是在活水有氧的条件下，富集了壳质组、惰性组或掺进较多的矿物质转变而成。含惰性组或矿物质多的暗煤，煤质较差；富含壳质组的暗煤，则煤质较好，且密度往往较小。暗煤的光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密坚硬，密度大，韧性大，不易破碎，断面比较粗糙，一般不发育内生裂隙。在煤层中，暗煤是常见的宏观煤岩成分，常呈厚、薄不等的分层，也可组成整个煤层。
3. 煤的结构
煤的结构是指煤岩成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹，以及它们之间相互关系所表现出来的特征。它反映了成煤原始物质的成分、性质及在成煤时和成煤后的变化。在低煤阶煤中，煤的结构较易辨认；随着煤化程度的增高，各种煤岩成分的性质逐渐接近，因而煤的结构就逐渐变得均一。
煤的结构分原生结构和次生结构2种。
原生结构煤是指保留了原生沉积结构、构造特征的煤层，原生结构煤的煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。
次生结构煤是指煤层形成后受到构造应力作用而产生各种次生的宏观结构，也称为构造煤。煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用。构造煤的宏观结构常见碎裂结构、碎粒结构、粉粒结构、糜棱结构等，对应的构造煤命名为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤。
(1) 碎裂结构，煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，可看到煤层的层理。
(2) 碎粒结构，煤被破碎成粒状，主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失去棱角，煤的层理被破坏。
(3) 糜棱结构，煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有时被重新压紧，已看不到煤层的层理和节理，煤易捻成粉末。
构造煤是煤的次生结构的组合，常出现在构造应力复杂的煤田，特别是在断层带和褶曲带附近。图1-1给出了我国山西大宁煤矿原生结构煤与构造共生的对比(原生煤Ro，max为2.77，构造煤Ro，max为2.83)[2]。表1-1给出了我国《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(AQ1024—2006)[3]中关于煤的破坏类型分类，共分为五类，Ⅰ类为非破坏煤、Ⅱ类为破坏煤、Ⅲ类为强烈破坏煤、Ⅳ类为粉碎煤、Ⅴ类为全粉煤，其中Ⅲ~Ⅴ类可能具有煤与瓦斯突出危险。
图1-1 山西大宁煤矿煤层结构对比
表1-1 煤的破坏类型分类表
4. 煤层瓦斯
煤层瓦斯是以甲烷为主的混合气体的总称，又称煤层气。煤层瓦斯是腐殖型有机物在成煤的过程中生成的。煤的原始母质——腐殖质沉积以后，经历两个成气时期：从植物遗体到泥炭属于生物化学成气时期；在地层的高压高温作用下从褐煤到烟煤再到无烟煤属于煤化变质作用成气时期。在生物化学成煤时期，成煤物质生成的泥炭层埋深浅，上覆盖层的胶结固化不好，生成的瓦斯通过渗透和扩散容易排放到古大气中去，一般不会保留在现有煤层内。从褐煤到无烟煤，每吨煤可生成300~400m3瓦斯，但在现有煤矿开采深度下，每吨煤*大程度瓦斯含量仅为20~30m3。当煤层具有露头或在冲积层之下有含煤盆地时，在煤层内存在两个不同方向的气体运移，即煤层生成的瓦斯由深部向上运移；而地面空气、表土中的生物化学和化学反应生成的气体向煤层深部渗透扩散，从而使赋存在煤层内的瓦斯表现出垂向分带特征。煤层瓦斯沿垂向一般可分为瓦斯风化带与甲烷带，在甲烷带内甲烷浓度及重烃浓度之和大于80%。
煤层瓦斯的抽采和利用具有能源、安全和环境三重效益[4]。
(1) 煤层瓦斯是一种清洁能源。1m3纯甲烷的发热量为35.9MJ，相当于1.2kg标准煤的发热量。据*新一轮全国煤层气(煤矿瓦斯)资源评价成果[7]，全国煤层埋深2000m以浅的煤层气资源量为36.8Tm3，相当于我国陆上常规天然气资源总量(30Tm3)，其中埋深小于1500m的煤层气可采资源量为10.9Tm3。
(2) 煤层瓦斯是煤矿重大危险源。煤矿瓦斯灾害主要有瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出，此外，瓦斯燃烧和窒息也能造成.人员的伤亡。如果煤层瓦斯没有进行采前抽采，则在煤炭开采过程中，大量的瓦斯将涌入到煤矿风流中。甲烷浓度为5.0%~15.0%时，以甲烷为主的可燃性气体和空气组成的混合气体会在火源的作用下发生一种迅猛的氧化反应，即瓦斯爆炸。一旦发生爆炸，不仅造成大量的人员伤亡，而且会严重摧毁煤矿设施、破坏煤矿通风系统，还会引发煤尘爆炸、火灾、井巷垮塌和顶板冒落等次生灾害。当甲烷浓度大于15.0%，并有火源存在的条件下，将发生瓦斯燃烧。煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦斯能和应变能的失稳释放，表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量煤岩和瓦斯。抛出煤岩从几吨到上万吨，瓦斯从几百立方米到上百万立方米，并可 - 目录
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