演变孔裂隙岩体力学

定　　价：128 元

• 作者：梁卫国,陈跃都,于永军
• 出版时间：2025/11/1
• ISBN：9787030834805
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：TU45 
• 页码：308
• 版次：1
• 开本：B5

内容简介

传统岩体力学是以经典固体力学为基础，以实验研究为主要手段的工程力学学科分支，随着地下资源能源开发工程逐渐向深地、深海及非常规油气方向发展，更多高温、高压、低渗透以及多场耦合作用条件下的演变孔裂隙岩体力学问题越来越突出，而且在长期地质作用与人类工程活动中，不同尺度规模的不连续结构或构造均会随外部环境条件的变化而不断演化，此即所谓演变孔裂隙岩体。为解决这类复杂问题，亟须建立演变孔裂隙岩体力学体系。本书基于团队多年教学与研究实践，将团队在演变孔裂隙岩体力学特性方面的部分研究成果与固体力学、流体力学等相关基础学科知识有机融合，旨在为博士、硕士研究生及相关科研人员提供较为系统的基础知识，并为进一步推动学科交叉与知识创新提供思路借鉴。

更多科学出版社服务，请扫码获取。

作者介绍

博士，教授，博士生导师。全国百篇优秀博士学位论文获得者。国家杰出青年基金获得者，国务院学科评议组成员，国务院政府特贴专家。历任太原理工大学矿业工程学院院长、原位改性采矿教育部重点实验室主任、太原理工大学党委常委、副校长、山西能源学院党委副书记、院长。现任太原师范学院党委副书记、院长。采矿工程煤炭工业协会技术委员会委员，中国岩石力学与工程学会理事、山西省煤炭学会副理事长、山西省岩石力学与工程学会秘书长、《岩石力学与工程学报》、《煤炭学报》、《太原理工大学学报》编委。

目 录

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 原位改性流体化采矿 1
1.2 演变孔裂隙岩体力学科学内涵 2
1.3 孔裂隙岩体成岩条件与关键特征 5
1.4 孔裂隙岩体力学研究内容与方法 6
1.5 本章小结 9
思考题 9
参考文献 9
第2章 固体力学基础 12
2.1 概述 12
2.2 固体力学基本内容 13
2.3 岩体热弹性力学 14
2.3.1 应力与应力张量 15
2.3.2 应变 16
2.3.3 广义胡克定律 17
2.3.4 基本方程 17
2.3.5 边界条件 19
2.4 岩体塑性力学 20
2.4.1 应力与应变分析 21
2.4.2 屈服准则 23
2.4.3 流动法则 26
2.4.4 硬化法则 27
2.5 固体力学与岩体力学的联系 28
2.5.1 固体力学与多学科交叉融合 28
2.5.2 演变孔裂隙岩体力学中的固体力学 30
2.6 本章小结 31
思考题 32
参考文献 32
第3章 岩体损伤与断裂力学 34
3.1 概述 34
3.2 岩体损伤力学 35
3.2.1 固体材料的损伤与破坏 35
3.2.2 损伤变量 36
3.2.3 损伤力学的四个等效性假设 37
3.2.4 岩体弹脆性损伤力学 41
3.2.5 岩体弹塑性损伤力学 47
3.2.6 岩体断裂发展的损伤力学表征 55
3.3 岩体线弹性断裂力学 57
3.3.1 Griffith裂纹表面能理论 59
3.3.2 应力强度因子理论 60
3.3.3 J积分 62
3.3.4 裂纹扩展方向判定准则 64
3.3.5 裂纹面受压摩擦理论 64
3.4 岩体准脆性断裂力学 66
3.4.1 准脆性断裂力学基础 66
3.4.2 准脆性断裂的分析方法 67
3.4.3 场强度参量 68
3.4.4 黏聚型裂纹理论 71
3.5 岩体弹塑性断裂力学 75
3.5.1 发展背景 76
3.5.2 裂纹尖端弹塑性应力、应变场的特性 77
3.5.3 场强度参量 78
3.6 本章小结 80
思考题 81
参考文献 81
第4章 演变孔裂隙岩体流变力学 82
4.1 概述 82
4.2 流变力学模型理论 83
4.2.1 概述 83
4.2.2 基本元件 84
4.2.3 组合模型 86
4.2.4 三维模型 92
4.3 温度-应力耦合蠕变模型 95
4.3.1 概述 95
4.3.2 温度-应力耦合盐岩蠕变实验 96
4.3.3 温度-应力耦合盐岩分数阶黏弹塑性蠕变损伤模型建立 102
4.3.4 温度-应力耦合盐岩黏弹塑性蠕变损伤模型验证 109
4.4 演变孔裂隙岩体蠕变模型 112
4.4.1 概述 112
4.4.2 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变实验 112
4.4.3 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变破坏特征 120
4.4.4 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变模型建立与验证 125
4.5 本章小结 127
思考题 129
参考文献 129
第5章 演变孔裂隙介质多尺度渗流力学 130
5.1 概述 130
5.2 多孔介质表征特征参数 130
5.2.1 多孔介质几何性质 131
5.2.2 孔隙率及连续介质 131
5.2.3 渗透率 132
5.2.4 孔隙压缩系数与迂曲度 135
5.3 流体性质 135
5.3.1 流体相态 135
5.3.2 流体密度 136
5.3.3 流体黏度函数 137
5.3.4 流体压缩系数和热膨胀系数 137
5.4 达西渗流力学模型 138
5.4.1 基本方程 139
5.4.2 单相流体渗流模型 144
5.4.3 两相流体渗流模型 147
5.5 微观渗流力学模型 150
5.5.1 滑脱效应 152
5.5.2 克努森扩散 152
5.5.3 吸附行为及孔隙吸附变形 153
5.5.4 分子扩散和表面扩散 155
5.5.5 气体稀薄效应 156
5.5.6 表观渗透率模型 157
5.6 演变孔裂隙介质多尺度渗流理论 158
5.6.1 多孔介质多尺度问题 159
5.6.2 跨尺度渗流模拟 160
5.6.3 演变孔裂隙介质渗流特征 162
5.7 本章小结 163
思考题 163
参考文献 163
第6章 岩体裂隙变形与渗流特性 166
6.1 概述 166
6.2 岩体裂隙特性及表征 168
6.2.1 裂隙几何特征 168
6.2.2 裂隙表面几何特性及表征 170
6.2.3 裂隙空间几何特性及表征 174
6.3 岩体裂隙力学特性 182
6.3.1 裂隙变形性质 182
6.3.2 裂隙抗剪强度 183
6.3.3 岩体裂隙抗剪强度准则 186
6.4 岩体裂隙渗流特性 191
6.4.1 光滑裂隙渗流模型 191
6.4.2 粗糙裂隙渗流模型 191
6.4.3 裂隙变形-渗流耦合特性 197
6.4.4 裂隙剪切-渗流特性 198
6.4.5 粗糙裂隙非线性渗流特性 200
6.5 演变裂隙渗流特性 201
6.6 本章小结 217
思考题 217
参考文献 218
第7章 演变孔裂隙介质多场耦合作用 222
7.1 概述 222
7.2 有效应力原理 223
7.2.1 多孔介质有效应力原理 223
7.2.2 岩体裂隙有效应力原理 224
7.3 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质性态变化 226
7.3.1 THM耦合作用对岩石性态影响机理 226
7.3.2 THM耦合作用下岩石力学特性变化 228
7.4 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质渗流特性 233
7.4.1 THM耦合作用对岩体渗透率影响机理 233
7.4.2 THM耦合作用下岩石渗透率规律 235
7.5 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质传热特性 237
7.5.1 THM耦合作用对岩体热力学特性影响机理 237
7.5.2 THM耦合作用下岩石热力学特性变化规律 237
7.6 孔裂隙双重介质热-流-固耦合数学模型 241
7.6.1 岩石热-流-固耦合模型 242
7.6.2 岩体裂隙热-流-固耦合模型 244
7.7 考虑微纳孔渗流及裂缝扩展的孔裂隙三重介质热-流-固耦合基本架构 250
7.7.1 微纳孔隙-宏观孔隙-裂隙三重介质渗流模型 251
7.7.2 热-流-固耦合下的裂隙动态扩展及渗流模型 252
7.8 孔裂隙演变对热-流-固耦合项的影响 253
7.9 演变孔裂隙介质耦合的不确定性 254
7.10 本章小结 256
思考题 256
参考文献 257
第8章 演变孔裂隙岩体力学实验装置与方法 259
8.1 概述 259
8.2 岩体力学试验机发展概况 259
8.2.1 试验机的发展历程 259
8.2.2 演变孔裂隙岩体力学实验装置 261
8.3 溶解类矿体孔裂隙演变及渗流实验 265
8.3.1 工程应用背景 265
8.3.2 实验设备 265
8.3.3 试样制备 266
8.3.4 实验流程 267
8.3.5 实验示例 268
8.4 吸附膨胀/解吸收缩类煤体渗透性演变实验 269
8.4.1 CH4与气态CO2在煤体内混合渗流特性的实验 269
8.4.2 超临界CO2与应力耦合作用下煤体的渗透及变形实验 272
8.5 高温热解低变质煤/油页岩渗透率演化实验 276
8.5.1 工程应用背景 276
8.5.2 实验设备 277
8.5.3 试样制备 277
8.5.4 实验流程 278
8.5.5 实验示例 278
8.6 高温花岗岩渗透率演化实验 280
8.6.1 工程应用背景 280
8.6.2 实验设备 281
8.6.3 试样制备 282
8.6.4 实验方法 282
8.6.5 实验示例 283
8.7 超临界CO2浸蚀煤体结构面剪切-渗透率演化实验 283
8.7.1 工程应用背景 283
8.7.2 实验设备 284
8.7.3 试样制备 284
8.7.4 实验方法 285
8.7.5 实验示例 285
8.8 煤系地层煤岩体致裂增渗实验 287
8.8.1 水力压裂增渗实验 287
8.8.2 ScCO2压裂增渗实验 290
8.8.3 穿层压裂增渗实验 293
8.8.4 N2泡沫压裂增渗实验 295
8.9 本章小结 298
思考题 298
参考文献 298
第9章 岩体力学发展与展望 300
9.1 岩体力学发展 300
9.2 岩体力学展望 302
9.3 演变孔裂隙岩体力学发展方向 305
9.4 本章小结 307
思考题 307
参考文献 307
推荐文献 309
Contents
Preface 1
Preface 2
Foreword
Chapter 1 Introduction 1
1.1 In-situ Modified Mining by Fluidization 1
1.2 Scientific Connotation of the Mechanics of Evolving Porous and Fractured
Rock Mass 2
1.3 Diagenetic Conditions and Key Characteristics of the Porous and Fractured
Rock Mass 5
1.4 Research Content and Methods of the Mechanics of Porous and Fractured
Rock Mass 6
1.5 Main Contents of This Book 9
Summary
Thinking Questions 9
References 9
Chapter 2 Fundamentals of Solid Mechanics 12
2.1 Overview 12
2.2 Elementary Contents in Solid Mechanics 13
2.3 Thermo Elasticity of Rock Mass 14
2.3.1 Stress and Strain Tensors 15
2.3.2 Strain 16
2.3.3 General Hook’s Law 17
2.3.4 Basic Equations 17
2.3.5 Boundary Conditions 19
2.4 Rock Mass Plasticity 20
2.4.1 Stress and Strain Analyses 21
2.4.2 Yield Criteria 23
2.4.3 Flow Criteria 26
2.4.4 Hardening Criteria 27
2.5 Relationships Between Solid Mechanics and Rock Mass Mechanics 28
2.5.1 Cooperation of Solid Mechanics with Multiple Disciplines 28
2.5.2 The Solid Mechanics in Evolving Porous and Fractured Rock Mass 30
2.6 Summary 31
Thinking Questions 32
References 32
Chapter 3 Damage and Fracture Mechanics of Rock Mass 34
3.1 Overview 34
3.2 Rock Mass Damage Mechanics 35
3.2.1 Rock Mass Damage Mechanics 35
3.2.2 Damage and Failure 36
3.2.3 Damage Variable Four Equivalence Assumptions in Damage Mechanics 37
3.2.4 Elastic Brittle Rock Mass Damage Mechanics 41
3.2.5 Plastic Rock Mass Damage Mechanics 47
3.2.6 Rock Mass Fracturing Process by Damage Representation 55
3.3 Linear Elastic Fracture Mechanics of Rock Mass 57
3.3.1 Surface Energy Theory of Griffith Crack 59
3.3.2 Theory of Stress Intensity Factor 60
3.3.3 J Integral 62
3.3.4 Criteria Judging Fracture Propagation Directions 64
3.3.5 Friction Theory of Fracture Surfaces Under Compression 64
3.4 Quasi-Brittle Fracture Mechanics of Rock Mass 66
3.4.1 Fundamentals in Quasi-Brittle Fracture Mechanics 66
3.4.2 Analysis Method for Quasi-Brittle Fracturing 67
3.4.3 Field Intensity Parameters 68
3.4.4 Cohesive Fracture Theory 71
3.5 Elastic-Plastic Fracture Mechanics of Rock Mass 75
3.5.1 Background 76
3.5.2 Elastic-plastic Stress And Strain in the Crack Tip 77
3.5.3 Field Intensity Parameters 78
3.6 Summary 80
Thinking Questions 81
References 81
Chapter 4 Evolutionary Rheological Mechanics of Fractured Rock Mass 82
4.1 Overview 82
4.2 Theory of Rheological Mechanics Model 83
4.2.1 Overview 83
4.2.2 Basic Components 84
4.2.3 Combination Model 86
4.2.4 Three-Dimensional Model 92
4.3 Temperature-Stress Coupled Creep Model 95
4.3.1 Overview 95
4.3.2 Temperature-Stress Coupled Creep Experiment of Salt Rock 96
4.3.3 Establishment of a Temperature-Stress Coupled Fractional-Order Viscoelastic-Plastic Creep Damage Model for Salt Rocks 102
4.3.4 Validation of the Temperature-Stress Coupled Salt Rock Viscoelastic-Plastic
Creep Damage Model 109
4.4 Creep Models of Evolving Porous and Fractured Rock Mass 112
4.4.1 Overview 112
4.4.2 Thermal-Fluid-Solid Coupled Glauberite Creep Experiment 112
4.4.3 Thermal-Fluid-Solid Coupled Glauberite Creep Failure Characteristics 120
4.4.4 Establishment and Verification of Thermal-Fluid-Solid Coupled Glauberite
Creep Model 125
4.5 Summary 127
Thinking Questions 129
References 129
Chapter 5 Mechanics of Multi-Scale Fluid Flow in Evolution Porous Media 130
5.1 Overview 130
5.2 Characteristic Parameters of Porous Media 130
5.2.1 Geometric Properties 131
5.2.2 Porosity and Continuous Medium 131
5.2.3 Permeability 132
5.2.4 Compression Coefficient and Tortuosity 135
5.3 Fluid Properties 135
5.3.1 Phase State 135
5.3.2 Density 136
5.3.3 Viscosity Function 137
5.3.4 Compression Coefficient and Thermal Expansion Coefficient 137
5.4 Darcy flow Mechanics Model 138
5.4.1 Basic Equations 139
5.4.2 Mechanics Model of Single-Phase Fluid Flow 144
5.4.3 Mechanics Model of Two-Phase Fluid Flow 147
5.5 Microscopic Mechanics Model of Fluid Flow in Porous Media 150
5.5.1 Slip Effect 152
5.5.2 Knudsen Diffusion 152
5.5.3 Adsorption Behavior and Pore Adsorption Deformation 153
5.5.4 Molecular Diffusion and Surface Diffusion 155
5.5.5 Gas Rarefaction 156
5.5.6 Apparent Permeability Model 157
5.6 Multi-Scale Mechanics Theory of Fluid Flow in Evolving Porous Media 158
5.6.1 Multi-Scale Problems of Porous Media 159
5.6.2 Cross-Scale Fluid Flow Simulation in Porous Media 160
5.6.3 Fluid Flow Characteristics in Evolving Porous Media 162
5.7 Summary 163
Thinking Questions 163
References 163
Chapter 6 Deformation and Seepage Characteristics of Rock Fractures 166
6.1 Overview 166
6.2 Characteristic of Rock Mass Fractures and Representation 168
6.2.1 Geometric Characteristics of Rock Fractures 168
6.2.2 Geometric Characterization of Fracture Surfaces 170
6.2.3 Spatial Geometric Characterization of Rock Fractures 174
6.3 Mechanical Properties of Rock Fractures 182
6.3.1 Fracture Deformation Properties 182
6.3.2 Fracture Shear Strength 183
6.3.3 Shear strength Criteria for Rock Fractures 186
6.4 Seepage Characteristics of Rock Fractures 191
6.4.1 Seepage Models for Smooth Fractures 191
6.4.2 Seepage Models for Rough Fractures 191
6.4.3 Coupled Deformation-Seepage Characteristics of Fractures 197
6.4.4 Shear-Seepage Characteristics of Fractures 198
6.4.5 Nonlinear Seepage Characteristics of Rough Fractures 200
6.5 Seepage Characteristics of Evolving Fractures 201
6.6 Summary 217
Thinking Questions 217
References 218
Chapter 7 Multi-Fields Coupling Behaviours in Evolving Porous-Fractured
Media 222
7.1 Overview 222
7.2 Effective Stress Principle 223
7.2.1 Effective Stress Principle for Porous Media 223
7.2.2 Effective Stress Principle for Rock Fractures 224
7.3 Behavior Changes of Porous-Fractured Media under Thermo-Hydro-
Mechanical (THM) Coupling 226
7.3.1 THM Coupling Effects on Rock Behavior 226
7.3.2 Change of Rock Mechanical Properties under THM Coupling Effects 228
7.4 Seepage Characteristics of Porous-Fractured Media under THM Coupling 233
7.4.1 THM Coupling Effects on Permeability of Rock Mass 233
7.4.2 Rock Permeability Changes under THM Coupling Effects 235
7.5 Heat Transfer Characteristics of Porous-Fractured Media under THM
Coupling 237
7.5.1 THM Coupling Effects on Thermodynamic Properties of Rock 237
7.5.2 Thermodynamic Properties Change of Rock under THM Coupling Effects 237
7.6 Thermo-Hydro-Mechanical Coupling Model of Dual-Porosity Fractured
Media 241
7.6.1 Thermo-Hydro-Mechanical Coupling Model of Rock Matrix 242
7.6.2 Thermo-Hydro-Mechanical Coupling Model of Rock Fractures 244
7.7 Thermo-Hydro-Mechanical Coupling Model of Triple-Porosity Fractured
Media Considering Micro/Nano Pore Seepage and Fracture Propagation 250
7.7.1 Seepage Model of Triple-Porosity Fractured Media 251
7.7.2 Fracture Propagation and Seepage Models under THM Coupling Effects 252
7.8 Influence of Pore-Fracture Evolution on Thermo-Hydro-Mechanical
Coupling Terms 253
7.9 Uncertainties in Coupling Behaviours of Evolving Porous-Fractured
Media 254
7.10 Summary 256
Thinking Questions 256
References 257
Chapter 8 Experimental Apparatus and Methods for the Mechanics of
Evolutionary Pore Fractured Rock Mass 259
8.1 Overview 259
8.2 Development of Rock Mass Mechanics Testing Machine 259
8.2.1 Development History of Testing Machines 259
8.2.2 Experimental Apparatus for the Mechanics of Evolving Porous and Fractured Rock Masses 261
8.3 Experiments of Pore and Fracture Evolution and Seepage in Soluble Mineral Bodies 265
8.3.1 Engineering Application Background 265
8.3.2 Experimental Equipment 265
8.3.3 Sample Preparation 266
8.3.4 Experimental Procedures 267
8.3.5 Experimental Examples 268
8.4 Experiments of Permeability Evolution in Adsorption-Swelling/Desorption-Shrinking Coal Masses 269
8.4.1 Experiment on Seepage Characteristics of CH4 and Gaseous CO2 in Coal 269
8.4.2 Experiment on Coal Permeability and Deformation under the Coupled Effects
of Supercritical CO2 and Stress 272
8.5 Experiments of Permeability Evolution of High-Temperature Pyrolyzed
Low-Rank Coal/Oil Shale 276
8.5.1 Engineering Application Background 276
8.5.2 Experimental Equipment 277
8.5.3 Sample Preparation 277
8.5.4 Experimental Procedures 278
8.5.5 Experimental Examples 278
8.6 Experiments of Permeability Evolution of High-Temperature Granite 280
8.6.1 Engineering Application Background 280
8.6.2 Experimental Equipment 281
8.6.3 Sample Preparation 282
8.6.4 Experimental Methods 282
8.6.5 Experimental Examples 283
8.7 Experiments of Shear-Permeability Evolution of Coal Structural Planes under Supercritical CO2 Soaking 283
8.7.1 Engineering Application Background 283
8.7.2 Experimental Equipment 284
8.7.3 Sample Preparation 284
8.7.4 Experimental Methods 285
8.7.5 Experimental Examples 285
8.8 Experiments of Fracturing and Permeability Enhancement of Coal-rock Masses in Coal-Bearing Strata 287
8.8.1 Hydraulic Fracturing for Permeability Enhancement Experiment 287
8.8.2 ScCO2 Fracturing for Permeability Enhancement Experiment 290
8.8.3 Cross-Layer Fracturing for Permeability Enhancement Experiment 293
8.8.4 N2 Foam Fracturing for Permeability Enhancement Experiment 295
8.9 Summary 298
Thinking Questions 298
References 298
Chapter 9 Development and Prospects of Rock Masses Mechanics 300
9.1 Development of Rock Masses Mechanics 300
9.2 Prospects of Rock Masses Mechanics 302
9.3 Future Developments of Evolving Porous and Fractured Rock Mechanics 305
9.4 Summary 305
Thinking Questions 307
References 307