煤层中的耦合运动理论及其应用

前言

第1章绪论

1.1引子

1.2开采煤层气的实际意义

1.2.1煤层气对矿井的危害

1.2.2排放煤层气对环境的影响

1.2.3煤层气的能源价值

1.3开采煤层气存在的技术困境

1.3.1开采煤层气面临的主要困难

1.3.2煤层气与石油天然气开采理论与技术的异同

1.4煤层中的耦合运动理论研究现状分析

1.4.1概述

1.4.2煤的化学结构与孔隙结构

1.4.3煤的吸附扩散性能

1.4.4煤层孔隙结构模型分类

1.4.5孔隙裂隙二重介质模型

1.4.6扩散理论

1.4.7渗流理论

1.4.8孔隙裂隙二重介质的扩散解吸与渗流理论

1.4.9气固耦合力学理论

1.5本书研究主要内容和方法

第2章耦合运动的物理数学模型

2.1物理过程、基本假设和运动定律

2.2孔隙裂隙煤层中的基本方程

2.2.1煤层变形平衡方程

2.2.2煤层变形几何方程

2.2.3孔隙系统中扩散运动连续方程

2.2.4裂隙系统中渗流运动连续方程

2.3孔隙裂隙煤层中的耦合运动微分方程组

2.3.1煤层变形运动微分方程组

2.3.2孔隙系统中吸附状态煤层气扩散运动微分方程

2.3.3裂隙系统中游离状态煤层气渗流运动微分方程

2.3.4耦合运动微分方程组的初始边界条件与求解

2.4均匀孔隙煤层中的耦合运动微分方程组

2.5均匀裂隙煤层中的耦合运动微分方程组

2.6非煤储层中的耦合运动微分方程组

2.6.1高低渗流与非煤储层变形耦合运动微分方程组

2.6.2渗流与非煤储层变形耦合运动微分方程组

2.6.3煤层中与非煤储层中的耦合运动的比较

2.7煤层中无耦合运动微分方程

2.7.1耦合运动与无耦合运动方程之间的关系

2.7.2总应力作用下的变形运动微分方程组

2.7.3孔隙裂隙煤层中的扩散渗流微分方程组

2.7.4均匀孔隙煤层中的扩散运动微分方程

2.7.5均匀裂隙煤层中的渗流运动微分方程

2.8煤层中的耦合运动综合分析

第3章均匀孔隙介质中的扩散规律

3.1均匀孔隙煤层中的扩散微分方程分析解

3.1.1一维稳定扩散

3.1.2平面径向稳定扩散

3.2煤粒吸附煤层气扩散解吸过程

3.2.1煤粒吸附煤层气扩散的物理数学模型

3.2.2扩散微分方程的边界条件分析及求解

3.2.3近似解及其应用

3.3扩散解吸试验研究

3.3.1煤样采集与制备

3.3.2试验装置

3.3.3试验原理

3.3.4试验步骤

3.3.5试验内容

3.3.6试验数据处理方法

3.3.7试验数据的处理结果

3.3.8扩散微分方程的试验解(内质量源的试验式)

3.3.9理论和试验结果的分析讨论

3.4煤与瓦斯突出预测指标

3.4.1常见突出预测指标

3.4.2煤与瓦斯突出机理简析

3.4.3煤与瓦斯突出预测新指标探索

3.4.4Bi预测指标测试方法探讨

3.4.5突出预测指标Bi计算实例和比较

3.5煤与瓦斯突出预测应用实例

3.5.1沙曲煤矿及试验区概况

3.5.2突出预测方法和工艺介绍

3.5.3对《测定标准》的分析

3.5.4钻屑解吸指标K现场测定及分析

3.5.5钻屑解吸指标K试验室测定及分析

3.5.6现场与试验室试验数据分析结果的比较

3.5.7几个重要结论

第4章均匀裂隙介质中的渗流规律

4.1均匀裂隙煤层中的渗流物理数学模型

4.2平行巷间煤柱中渗流微分方程近似分析解

4.2.1渗流微分方程的近似分析解

4.2.2对近似分析解的讨论

4.2.3近似分析解在掘进巷道瓦斯涌出量预测中的应用

4.3二维渗流在移动边界条件的近似分析解

4.3.1概述

4.3.2工作面煤体瓦斯压力分布规律

4.3.3工作面煤体瓦斯涌出量的预测

4.3.4关于分析解的计算机模拟及讨论

4.4一维径向渗流规律及应用

4.4.1概述

4.4.2一维瓦斯径向流动的数学模型

4.4.3衡量煤层瓦斯抽放难易程度指标的观测

4.4.4抽放钻孔有效抽放半径计算方法

第5章煤体的吸附变形与有效应力

5.1概述

5.2吸附变形与吸附热力学参数的关系

5.2.1孔隙的表面压力

5.2.2吸附膨胀模式及其计算

5.2.3实例模拟计算

5.2.4对吸附膨胀变形特性的分析讨论

5.3含吸附煤层气煤的有效应力

5.3.1煤层的受力状态分析

5.3.2含吸附煤层气煤层的有效应力计算公式

5.3.3有效应力作用下煤体变形的理论值与实测值比较

5.3.4对煤层有效应力计算公式的分析

5.4孔隙率和吸附变形之间的关系

5.4.1内向吸附应变与外观应变

5.4.2裂隙孔隙率与煤层变形之间的关系

5.5渗透率与孔隙率之间的关系

5.6关于吸附变形与有效应力知识的要点

第6章半耦合运动规律及其应用

6.1概述

6.2孔隙裂隙煤层中的半耦合运动微分方程

6.2.1三维变形条件下的三维扩散渗流

6.2.2一维应变条件下的二维扩散渗流

6.2.3平面应变条件下的一维扩散渗流

6.3均匀裂隙煤层中的半耦合运动微分方程

6.3.1三维变形条件下的三维渗流

6.3.2一维应变条件下的二维渗流

6.3.3平面应变条件下的一维渗流

6.4具有变形和扩散解吸作用的渗流方程的应用

6.4.1提高煤层气采收率的途径

6.4.2评价煤层气资源的主要指标

6.4.3注入增产机理及影响压裂效果的因素

第7章多组分气体运动规律及其应用

7.1注气增产机理及效果分析

7.1.1注气增产机理分析

7.1.2自然降压开采煤层气的最大理论回收量和回收率

7.1.3注气开采煤层气的最大理论回收量和回收率

7.1.4回收率的模拟计算

7.2多组分流体扩散渗流的物理数学模型

7.2.1基本概念和假定

7.2.2煤粒基质孔隙系统吸附气相扩散解吸方程

7.2.3煤层裂隙系统中的渗流方程

7.3间歇注气过程的微分方程及近似解

7.3.1多组分流体扩散渗流微分方程的简化

7.3.2初始边界条件

7.3.3近似分析解的求解方法

参考文献

　　本书将主要研究孔隙介质骨架变形、基质颗粒吸附变形、吸附流体扩散解吸及自由流体渗流之间相互耦合作用规律，即对具有吸附作用的气固耦合理论进行研究，为煤层气开采、煤矿瓦斯防治及其他与气固耦合运动有关的工程应用决策提供科学依据。全书共七章，对煤层中的耦合运动理论研究对象、研究意义等进行了综合的介绍、分析、归纳和总结，提出或修正了煤层气与煤共同结构模式、煤层气运动模式等一系列的物理概念或物理模型，建立了固体变形、吸附煤层气扩散解吸及游离煤层气渗流的完全耦合运动的微分方程组等等。　　本书是作者多年研究成果全面系统的总结。书中详细地介绍了煤层气的扩散解吸及渗流，煤层骨架变形、基质颗粒吸附变形之间相互耦合作用规律及其在工程中的应用。全书共分七章，包括绪论、耦合运动的物理数学模型、均匀孔隙介质中的扩散规律、均匀裂隙介质中的渗流规律、煤体的吸附变形与有效应力、半耦合运动规律及其应用、多组分气体运动规律及其应用。　　本书可供煤炭、石油、天然气、化工、水文地质、土建等部门从事安全工程、资源开采、化工吸附分离、流固耦合力学研究的科技人员参考，也可作为高等学校相关专业本科生和研究生的参考教材。