本書是作者多年研究成果系統的總結。書中詳細地介紹了煤層氣的擴散解吸及滲流，煤層骨架變形、基質顆粒吸附變形之間相互耦合作用規律及其在工程中的應用。全書共分七章，包括緒論、耦合運動的物理數學模型、均勻孔隙介質中的擴散規律、均勻裂隙介質中的滲流規律、煤體的吸附變形與有效應力、半耦合運動規律及其應用、多組分氣體運動規律及其應用。
本書可供煤炭、石油、天然氣、化工、水文地質、土建等部門從事安全工程、資源開采、化工吸附分離、流固耦合力學研究的科技人員參考，也可作為高等學校相關專業本科生和研究生的參考教材。
前言
第1章 緒論
1.1 引子
1.2 開采煤層氣的實際意義
1.2.1 煤層氣對礦井的危害
1.2.2 排放煤層氣對環境的影響
1.2.3 煤層氣的能源價值
1.3 開采煤層氣存在的技術困境
1.3.1 開采煤層氣面臨的主要困難
1.3.2 煤層氣與石油天然氣開采理論與技術的異同
1.4 煤層中的耦合運動理論研究現狀分析
1.4.1 概述
1.4.2 煤的化學結構與孔隙結構
1.4.3 煤的吸附擴散性能
1.4.4 煤層孔隙結構模型分類
1.4.5 孔隙裂隙二重介質模型
1.4.6 擴散理論
1.4.7 滲流理論
1.4.8 孔隙裂隙二重介質的擴散解吸與滲流理論
1.4.9 氣固耦合力學理論
1.5 本書研究主要內容和方法
第2章 耦合運動的物理數學模型
2.1 物理過程、基本假設和運動定律
2.2 孔隙裂隙煤層中的基本方程
2.2.1 煤層變形平衡方程
2.2.2 煤層變形幾何方程
2.2.3 孔隙系統中擴散運動連續方程
2.2.4 裂隙系統中滲流運動連續方程
2.3 孔隙裂隙煤層中的耦合運動微分方程組
2.3.1 煤層變形運動微分方程組
2.3.2 孔隙系統中吸附狀態煤層氣擴散運動微分方程
2.3.3 裂隙系統中游離狀態煤層氣滲流運動微分方程
2.3.4 耦合運動微分方程組的初始邊界條件與求解
2.4 均勻孔隙煤層中的耦合運動微分方程組
2.5 均勻裂隙煤層中的耦合運動微分方程組
2.6 非煤儲層中的耦合運動微分方程組
2.6.1 高低滲流與非煤儲層變形耦合運動微分方程組
2.6.2 滲流與非煤儲層變形耦合運動微分方程組
2.6.3 煤層中與非煤儲層中的耦合運動的比較
2.7 煤層中無耦合運動微分方程
2.7.1 耦合運動與無耦合運動方程之間的關系
2.7.2 總應力作用下的變形運動微分方程組
2.7.3 孔隙裂隙煤層中的擴散滲流微分方程組
2.7.4 均勻孔隙煤層中的擴散運動微分方程
2.7.5 均勻裂隙煤層中的滲流運動微分方程
2.8 煤層中的耦合運動綜合分析
第3章 均勻孔隙介質中的擴散規律
3.1 均勻孔隙煤層中的擴散微分方程分析解
3.1.1 一維穩定擴散
3.1.2 平面徑向穩定擴散
3.2 煤粒吸附煤層氣擴散解吸過程
3.2.1 煤粒吸附煤層氣擴散的物理數學模型
3.2.2 擴散微分方程的邊界條件分析及求解
3.2.3 近似解及其應用
3.3 擴散解吸試驗研究
3.3.1 煤樣采集與制備
3.3.2 試驗裝置
3.3.3 試驗原理
3.3.4 試驗步驟
3.3.5 試驗內容
3.3.6 試驗數據處理方法
3.3.7 試驗數據的處理結果
3.3.8 擴散微分方程的試驗解(內質量源的試驗式)
3.3.9 理論和試驗結果的分析討論
3.4 煤與瓦斯突出預測指標
3.4.1 常見突出預測指標
3.4.2 煤與瓦斯突出機理簡析
3.4.3 煤與瓦斯突出預測新指標探索
3.4.4 Bi預測指標測試方法探討
3.4.5 突出預測指標Bi計算實例和比較
3.5 煤與瓦斯突出預測應用實例
3.5.1 沙曲煤礦及試驗區概況
3.5.2 突出預測方法和工藝介紹
3.5.3 對《測定標準》的分析
3.5.4 鉆屑解吸指標K現場測定及分析
3.5.5 鉆屑解吸指標K試驗室測定及分析
3.5.6 現場與試驗室試驗數據分析結果的比較
3.5.7 幾個重要結論
第4章 均勻裂隙介質中的滲流規律
4.1 均勻裂隙煤層中的滲流物理數學模型
4.2 平行巷間煤柱中滲流微分方程近似分析解
4.2.1 滲流微分方程的近似分析解
4.2.2 對近似分析解的討論
4.2.3 近似分析解在掘進巷道瓦斯涌出量預測中的應用
4.3 二維滲流在移動邊界條件的近似分析解
4.3.1 概述
4.3.2 工作面煤體瓦斯壓力分布規律
4.3.3 工作面煤體瓦斯涌出量的預測
4.3.4 關于分析解的計算機模擬及討論
4.4 一維徑向滲流規律及應用
4.4.1 概述
4.4.2 一維瓦斯徑向流動的數學模型
4.4.3 衡量煤層瓦斯抽放難易程度指標的觀測
4.4.4 抽放鉆孔有效抽放半徑計算方法
第5章 煤體的吸附變形與有效應力
5.1 概述
5.2 吸附變形與吸附熱力學參數的關系
5.2.1 孔隙的表面壓力
5.2.2 吸附膨脹模式及其計算
5.2.3 實例模擬計算
5.2.4 對吸附膨脹變形特性的分析討論
5.3 含吸附煤層氣煤的有效應力
5.3.1 煤層的受力狀態分析
5.3.2 含吸附煤層氣煤層的有效應力計算公式
5.3.3 有效應力作用下煤體變形的理論值與實測值比較
5.3.4 對煤層有效應力計算公式的分析
5.4 孔隙率和吸附變形之間的關系
5.4.1 內向吸附應變與外觀應變
5.4.2 裂隙孔隙率與煤層變形之間的關系
5.5 滲透率與孔隙率之間的關系
5.6 關于吸附變形與有效應力知識的要點
第6章 半耦合運動規律及其應用
6.1 概述
6.2 孔隙裂隙煤層中的半耦合運動微分方程
6.2.1 三維變形條件下的三維擴散滲流
6.2.2 一維應變條件下的二維擴散滲流
6.2.3 平面應變條件下的一維擴散滲流
6.3 均勻裂隙煤層中的半耦合運動微分方程
6.3.1 三維變形條件下的三維滲流
6.3.2 一維應變條件下的二維滲流
6.3.3 平面應變條件下的一維滲流
6.4 具有變形和擴散解吸作用的滲流方程的應用
6.4.1 提高煤層氣采收率的途徑
6.4.2 評價煤層氣資源的主要指標
6.4.3 注入增產機理及影響壓裂效果的因素
第7章 多組分氣體運動規律及其應用
7.1 注氣增產機理及效果分析
7.1.1 注氣增產機理分析
7.1.2 自然降壓開采煤層氣的較大理論回收量和回收率
7.1.3 注氣開采煤層氣的較大理論回收量和回收率
7.1.4 回收率的模擬計算
7.2 多組分流體擴散滲流的物理數學模型
7.2.1 基本概念和假定
7.2.2 煤粒基質孔隙系統吸附氣相擴散解吸方程
7.2.3 煤層裂隙系統中的滲流方程
7.3 間歇注氣過程的微分方程及近似解
7.3.1 多組分流體擴散滲流微分方程的簡化
7.3.2 初始邊界條件
7.3.3 近似分析解的求解方法
參考文獻
第1章 緒論
1.1 引子
地層是由固體骨架和孔隙裂隙構成的復雜孔隙介質，其孔隙裂隙是流體儲存場所和運動的通道。地層時刻承受著垂直地應力、水平地應力、構造應力和孔隙壓力，并且處于相對平衡狀態。由于孔隙壓力在各個方向相等，為中性應力，所以它對其他三個應力分量的影響是相同的。當采出地層中的石油天然氣、煤層氣、地下水、固體礦產等礦物質時，以及為了開采而進行的鉆井和巷道開挖使地下物質虧空或地應力釋放時，這種平衡被打破，流體與地層要運動和變形。根據孔隙大小及流體在孔隙中的運動形態將地層分為均勻孔隙介質、均勻裂隙介質、孔隙裂隙二重介質等[2]。流體在多孔介質中的運動包括解吸(吸附)、擴散和滲流。流體在表面張力作用下的運動稱為吸附，在濃度差作用下通過多孔介質的運動稱為擴散，在壓差作用下通過多孔介質的運動稱為滲流。固體骨架顆粒在有效應力和溫度的變化作用下，各部分之間要產生相對運動，即產生骨架(整體)變形，構成固體骨架的顆粒(基質)因吸附流體要產生(顆粒)吸附變形。流體解吸、擴散及滲流，骨架變形及顆粒吸附變形處于同一系統中，它們之間相互作用和彼此影響，這就是耦合現象和問題。因此，本書把研究地層中流體解吸、擴散及滲流，骨架變形、顆粒吸附變形之間相互耦合作用規律的科學稱為儲層中的耦合運動理論，本書將主要研究煤層中的耦合運動理論及其應用。這一理論依據系統中物質存在的相態，可稱為自由相流體、吸附相流體及固相的三相耦合理論，依據系統中物理場可稱為溫度場、吸附勢、濃度場、應力場及滲流場的五場耦合理論。它與習慣上人們稱為流固耦合力學的區別在于除涉及滲流力學和巖石力學外，還主要涉及表面物理化學和吸附熱力學，即要深入研究吸附作用對滲流和變形的深刻影響，這也是本書的主要特色和創新點之一，因此該書也可稱為具有吸附作用的氣固耦合理論及應用。流固耦合力學是滲流力學與固體力學交叉而生成的一個力學分支，它是研究地質環境中流體(水、氣、油)與巖體相互作用的一門科學，其研究與應用涉及水力水電工程、礦產資源開發、土木工程等領域，對社會的發展具有重要的影響。
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