本書(shū)利用自主研發(fā)的煤巖剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng), 在開(kāi)展煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征及其基礎(chǔ)力學(xué)特性、不同尺度條件下壓剪荷載作用時(shí)完整煤巖結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)制及其滲透性演化規(guī)律、不同充填條件下壓剪荷載作用時(shí)破斷煤巖體裂隙面剪切破壞機(jī)制及其滲透性演化規(guī)律等試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 結(jié)合巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)與滲流理論, 探討了煤巖剪切破壞-滲流耦合機(jī)理。
我國(guó)煤炭資源豐富,市場(chǎng)需求旺盛。據(jù)預(yù)測(cè),至2030年我國(guó)煤炭需求量將達(dá)到45億~51億t。然而,煤炭工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展必然以保障煤礦安全高效生產(chǎn)為前提,但隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加,煤與瓦斯突出以及由此引起的瓦斯超限、瓦斯爆炸等煤礦瓦斯災(zāi)害愈演愈烈,造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,已成為制約我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此,預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害事故是國(guó)家層面亟待解決的重大安全問(wèn)題。
眾所周知,受歷史上復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及煤礦開(kāi)采活動(dòng)等影響,煤巖體中含有大量產(chǎn)狀不同且大小不一的裂隙,這些裂隙既是煤層瓦斯的主要流動(dòng)通道,同時(shí)也是導(dǎo)致煤巖在工程結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上呈現(xiàn)非均質(zhì)、非線(xiàn)性、非連續(xù)、各向異性的原因。隨著人們對(duì)地下空間需求的增加,如礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)發(fā)、城市地下軌道建設(shè)、隧道開(kāi)挖、修建攔水大壩等,裂隙巖體與地下流體的耦合效應(yīng)不斷顯現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),90%以上的巖質(zhì)邊坡破壞與地下水滲透作用有關(guān);60%的礦井事故涉及巖體移動(dòng)和地下流體滲透作用;30%的水利大壩失事事故由壩體垮塌和滲流作用所引起。
此外,水庫(kù)蓄水、地下和露天煤炭開(kāi)采、地下流體和天然氣開(kāi)發(fā)以及向地層注入流體等均可誘發(fā)地震。例如,增加孔隙水壓力產(chǎn)生的流體注入,或者液(氣)體的大量開(kāi)采,將產(chǎn)生足夠的應(yīng)力(應(yīng)變),隨著時(shí)間的推移,可能會(huì)導(dǎo)致一場(chǎng)突如其來(lái)的災(zāi)難性大地震。注水誘發(fā)地震通常從斷層附近的地層流體壓力引起增加或減少摩擦強(qiáng)度開(kāi)始,其中由流體注入誘發(fā)地震的案例為美國(guó)丹佛地震(3次5級(jí)至5.5級(jí)的地震);2012年布勞利震群產(chǎn)生了2次震級(jí)大于5.3級(jí)走滑地震和地?zé)釁^(qū)附近的地表破裂。研究表明,在沉積盆地內(nèi),流體注入可以誘發(fā)淺層地震,如油氣資源的二次開(kāi)采、巖溶采礦、二氧化碳地質(zhì)封存、庫(kù)區(qū)蓄水等均有誘發(fā)地震現(xiàn)象發(fā)生的記錄。中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院等單位發(fā)布的《2017研究前沿》報(bào)告中指出,流體注入誘發(fā)地震研究成為地球科學(xué)研究熱點(diǎn)。近年來(lái),由于水力壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣的開(kāi)采中,因此研究煤巖體與地下流體耦合機(jī)制對(duì)水力壓裂工程風(fēng)險(xiǎn)防控尤為重要。
從工程實(shí)踐的客觀需求來(lái)看,開(kāi)展地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)多場(chǎng)耦合條件下煤巖體中裂隙的開(kāi)裂、擴(kuò)展、貫通損傷演化過(guò)程及煤巖體應(yīng)力-滲流耦合機(jī)理的基礎(chǔ)研究,對(duì)煤礦安全開(kāi)采及維護(hù)巖體工程圍巖穩(wěn)定性不僅具有十分重要的理論研究?jī)r(jià)值,還具有工程指導(dǎo)意義。
本書(shū)共分7章:第1章由許江、劉義鑫撰寫(xiě);第2章由彭守建、陳燦燦、賈立撰寫(xiě);第3章由許江、彭守建、劉義鑫撰寫(xiě);第4章由彭守建、劉義鑫撰寫(xiě);第5章由許江、劉義鑫撰寫(xiě);第6章由彭守建、劉義鑫撰寫(xiě);第7章由劉義鑫、彭守建撰寫(xiě)。全書(shū)由彭守建、許江和賈立統(tǒng)一審核、定稿。
在本書(shū)出版之際,感謝國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目( 51474040,51874055,51974041)和中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)( 2022CDJQY-011)對(duì)本書(shū)研究工作的資助;感謝重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室提供的大力支持和幫助!
由于水平和學(xué)識(shí)有限,書(shū)中難免存在不足之處,敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3 煤巖剪切破壞-滲流耦合力學(xué)特性研究思路
2 壓剪荷載下煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征及滲透特性
2.1 試驗(yàn)研究方法
2.2 煤巖微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征及其成因
2.3 壓剪荷載下煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)細(xì)觀演化規(guī)律
2.4 壓剪荷載下煤巖失穩(wěn)破壞過(guò)程中滲透率演化規(guī)律
2.5 本章小結(jié)
3 煤巖剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的研制
3.1 試驗(yàn)裝置構(gòu)成
3.2 主要功能與技術(shù)參數(shù)
3.3 本章小結(jié)
4 煤巖結(jié)構(gòu)面三維形貌特征及其量化表征
4.1 試驗(yàn)研究方法
4.2 結(jié)構(gòu)面形貌特征表征參數(shù)
4.3 結(jié)構(gòu)面三維形貌特征演化規(guī)律
4.4 本章小結(jié)
5 完整煤巖剪切-滲流耦合力學(xué)特性
5.1 試驗(yàn)研究方法
5.2 煤巖注水條件下剪切-滲流耦合特性
5.3 煤巖注氣條件下剪切-滲流耦合特性
5.4 本章小結(jié)
6 破斷煤巖剪切-滲流耦合力學(xué)特性
6.1 試驗(yàn)研究方法
6.2 無(wú)充填結(jié)構(gòu)面煤巖剪切-滲流耦合特性
6.3 充填結(jié)構(gòu)面煤巖剪切-滲流耦合特性
6.4 本章小結(jié)
7 煤巖剪切-滲流耦合作用機(jī)制
7.1 煤巖剪切-滲流耦合作用機(jī)理分析模型
7.2 完整煤巖剪切-滲流耦合作用力學(xué)行為分析
7.3 破斷煤巖體剪切-滲流耦合作用力學(xué)行為分析
7.4 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)