演變孔裂隙巖體力學(xué)

傳統(tǒng)巖體力學(xué)是以經(jīng)典固體力學(xué)為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)研究為主要手段的工程力學(xué)學(xué)科分支，隨著地下資源能源開發(fā)工程逐漸向深地、深海及非常規(guī)油氣方向發(fā)展，更多高溫、高壓、低滲透以及多場耦合作用條件下的演變孔裂隙巖體力學(xué)問題越來越突出，而且在長期地質(zhì)作用與人類工程活動中，不同尺度規(guī)模的不連續(xù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)造均會隨外部環(huán)境條件的變化而不斷演化，此即所謂演變孔裂隙巖體。為解決這類復(fù)雜問題，亟須建立演變孔裂隙巖體力學(xué)體系。本書基于團(tuán)隊(duì)多年教學(xué)與研究實(shí)踐，將團(tuán)隊(duì)在演變孔裂隙巖體力學(xué)特性方面的部分研究成果與固體力學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科知識有機(jī)融合，旨在為博士、碩士研究生及相關(guān)科研人員提供較為系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，并為進(jìn)一步推動學(xué)科交叉與知識創(chuàng)新提供思路借鑒。

實(shí)現(xiàn) “雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵是新能源及儲能技術(shù)創(chuàng)新與傳統(tǒng)化石能源低碳清潔利用同步發(fā)展。對于傳統(tǒng)化石能源而言，隨著淺部資源的逐漸枯竭，以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源開采已經(jīng)開始向深部進(jìn)軍。地下煤炭資源開采深度已經(jīng)達(dá)到1500m，1500m以深的資源量還很大，原位改性流體化開采工藝是實(shí)現(xiàn)深部資源高效安全開采的重要技術(shù)方向。當(dāng)前石油資源開采深度已逾10000m，其最大問題仍然是儲層滲透性差及如何提高滲透率，包括深部煤系氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源的儲層滲透率都遠(yuǎn)低于10-3mD。因此，作為供應(yīng)保障壓艙石的化石能源，深地、深海、非常規(guī)等“兩深一非” 資源高效開發(fā)利用是重要發(fā)展方向，迫切需要巖體力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的深度創(chuàng)新與快速發(fā)展。

巖體力學(xué)是所有地質(zhì)資源和能源高效開發(fā)利用的基礎(chǔ)學(xué)科知識，自20世紀(jì)60年代在歐洲啟蒙發(fā)展以來，隨著我國大型水利水電、超長隧道等巖土工程建設(shè)及深地非常規(guī)資源開發(fā)，巖體力學(xué)在中國也有了較為長足的進(jìn)步與發(fā)展。特別是21 世紀(jì)以來，隨著深部高溫巖體地?zé)帷⒂晚搸r油氣、頁巖氣、煤系氣等非常規(guī)地質(zhì)油氣資源壓裂改性高效開采理論技術(shù)的發(fā)展，對巖體力學(xué)的研究認(rèn)識也進(jìn)一步深化，固-流耦合、熱-流-固耦合、熱-流-固-傳質(zhì)耦合研究不斷深入；對巖體的認(rèn)識也由傳統(tǒng)的以均質(zhì)、各向同性、連續(xù)介質(zhì)特性為主的巖石，向非均質(zhì)、各向異性的孔隙、孔裂隙、演變孔裂隙巖體介質(zhì)轉(zhuǎn)變；與此同時(shí)，在這一孔裂隙結(jié)構(gòu)不斷演變的多孔非連續(xù)巖體介質(zhì)中，由于注入壓裂或熱解改性介質(zhì)的存在，以及通過改性生產(chǎn)的油氣資源的相態(tài)轉(zhuǎn)化及擴(kuò)散運(yùn)移，固-液或固-液-氣多相態(tài)物質(zhì)之間相互作用，且固體骨架特性也由彈脆性向彈塑性、黏彈塑性等轉(zhuǎn)變。所有上述這些固體物理結(jié)構(gòu)與多相態(tài)物質(zhì)耦合作用的復(fù)雜變化，亟須對傳統(tǒng)巖石力學(xué)知識體系進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展；在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，綜合固體力學(xué)、損傷斷裂力學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)理論，創(chuàng)立更為高階的演變孔裂隙巖體力學(xué)理論，在推動巖石力學(xué)學(xué)科進(jìn)步的同時(shí)，也更好地服務(wù)于未來“兩深一非”資源的低碳、清潔、高效開發(fā)與利用。

巖體裂隙內(nèi)部凸起接觸域、連通孔隙域與孤立孔隙域的分布示意圖

不同溫度溶浸作用下實(shí)驗(yàn)前后鈣芒硝鹽巖孔裂隙演變CT圖

高溫高壓三軸巖石滲透率試驗(yàn)機(jī)

1. 入口熱電偶；2. 出口熱電偶；3. 電子天平及燒杯；4. 背壓閥；5. 滲流水冷卻裝置；6. 特制集成出口熱電偶軸壓壓頭；7. 軸壓傳壓桿；8. 圍壓傳壓套筒；9. 高溫高壓釜腔體；10. 加熱爐；11. 壓頭底座；12. 特制石墨盤根；13. 單裂縫花崗巖試樣；14. 滲流入口多孔板；15. 壓力表

P

ScCO2壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)示例

ScCO2壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)展布圖示例

本書在深度總結(jié)經(jīng)典巖體力學(xué)著作精髓的基礎(chǔ)上，精心整合了作者團(tuán)隊(duì)近年來在演變孔裂隙巖體力學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究成果，旨在為讀者呈現(xiàn)一個既包含傳統(tǒng)經(jīng)典理論又融合最新科研進(jìn)展的知識體系，主要內(nèi)容如下。

(1)緒論。本章首先介紹了原位改性流體化采礦基本概念、背景與內(nèi)涵，然后系統(tǒng)論述了演變孔裂隙巖體力學(xué)科學(xué)內(nèi)涵、孔裂隙巖體成巖條件與關(guān)鍵特征、孔裂隙巖體力學(xué)研究內(nèi)容與方法。

(2)固體力學(xué)基礎(chǔ)。首先簡要概述固體力學(xué)的基本內(nèi)容，而后系統(tǒng)總結(jié)巖體熱彈性力學(xué)和巖體塑性力學(xué)的基本理論，最后論述固體力學(xué)與巖體力學(xué)的聯(lián)系，以及演變孔裂隙巖體力學(xué)中涉及的固體力學(xué)知識。

(3)巖體損傷與斷裂力學(xué)。針對演變孔裂隙巖體易發(fā)生損傷和斷裂的客觀事實(shí)，系統(tǒng)介紹巖體損傷力學(xué)、巖體線彈性斷裂力學(xué)、巖體準(zhǔn)脆性斷裂力學(xué)、巖體彈塑性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)理論和斷裂準(zhǔn)則。

(4)演變孔裂隙巖體流變力學(xué)。首先介紹流變力學(xué)的基本元件和力學(xué)模型，然后在總結(jié)作者團(tuán)隊(duì)關(guān)于鹽巖和鈣芒硝鹽巖蠕變實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹其在熱-流-固耦合作用下的破壞特征和蠕變損傷模型。

(5)演變孔裂隙介質(zhì)多尺度滲流力學(xué)。首先介紹多孔介質(zhì)的幾何性質(zhì)和表征參數(shù)、流體性質(zhì)和達(dá)西滲流力學(xué)模型，然后著重論述各類微觀滲流力學(xué)模型和滲流效應(yīng)，最后討論演變孔裂隙介質(zhì)多尺度滲流問題、滲流特征與理論。

(6)巖體裂隙變形與滲流特性。首先介紹巖體裂隙的幾何特征與表征方法，然后論述巖體裂隙的力學(xué)特性和抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，繼而結(jié)合作者團(tuán)隊(duì)關(guān)于巖體裂隙滲流的實(shí)驗(yàn)與理論研究，著重論述裂隙的滲流模型、裂隙變形-滲流耦合特性，最后介紹演變裂隙的滲流特性。

(7)多場耦合作用。在介紹巖體孔隙、裂隙有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述熱-流-固耦合作用下孔裂隙介質(zhì)性態(tài)變化特征與機(jī)理、孔裂隙介質(zhì)滲流特性與傳熱特性，然后介紹孔裂隙雙重介質(zhì)熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型，最后討論演變孔裂隙介質(zhì)耦合的不確定性。

(8)演變孔裂隙巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置與方法。首先簡要概述巖體力學(xué)試驗(yàn)機(jī)發(fā)展概況，然后系統(tǒng)介紹作者團(tuán)隊(duì)近20年來在溶解類礦體孔裂隙演變及其滲流力學(xué)實(shí)驗(yàn)、吸附膨脹/解吸收縮類煤體的滲透性演變實(shí)驗(yàn)、高溫?zé)峤獾妥冑|(zhì)煤/油頁巖孔裂隙演變滲透率演化實(shí)驗(yàn)、高溫巖體地?zé)衢_發(fā)滲透率演化實(shí)驗(yàn)、超臨界CO2浸蝕煤體結(jié)構(gòu)面剪切-滲透性演化實(shí)驗(yàn)、煤層氣開發(fā)巖體致裂增滲實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。

(9)巖體力學(xué)發(fā)展與展望。在分析巖體力學(xué)研究現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述巖體力學(xué)未來充滿前景的發(fā)展方向、存在的若干重大難題和挑戰(zhàn)，并討論解決這些難題和挑戰(zhàn)的宏觀發(fā)展策略。

ISBN 978-7-03-083480-5

責(zé)任編輯：李 雪 李亞佩

本書由團(tuán)隊(duì)成員共同完成，第1 章由梁衛(wèi)國、朱帝杰撰寫；第2 章、第3 章由于永軍、廉浩杰撰寫；第4 章由張勝利撰寫；第5 章由武守亞、劉楊撰寫；第6 章、第7 章由梁衛(wèi)國、陳躍都撰寫；第8 章由梁衛(wèi)國、武鵬飛撰寫；第9 章由梁衛(wèi)國、朱帝杰撰寫，全書由梁衛(wèi)國統(tǒng)稿。

本書是太原理工大學(xué)原位改性采礦理論與技術(shù)團(tuán)隊(duì)在國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51225404)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50874078，51874206)、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.U22A20167)、山西省“三晉學(xué)者”人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、山西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.202403021211211)及企業(yè)合作項(xiàng)目資助下，在原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了大尺寸真三軸壓裂、超臨界CO2 壓裂驅(qū)替CH4、高溫高壓三軸壓裂滲流等系列實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備研制及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，融合固體力學(xué)、損傷斷裂力學(xué)、流體力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)理論而成，以期為礦業(yè)工程及深地資源開發(fā)工程相關(guān)研究人員提供系統(tǒng)全面的基礎(chǔ)理論知識。

本文摘編自《 演變孔裂隙巖體力學(xué) 》（梁衛(wèi)國 陳躍都 于永軍 著 . 北京 : 科學(xué)出版社 , 2025. 11 ）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

本書適用于礦業(yè)工程、能源工程、土木工程相關(guān)學(xué)科研究生、高年級本科生及相關(guān)科研和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參閱使用。

地球?yàn)槟愣D(zhuǎn)！

歡迎關(guān)注：賽杰奧（sci_geo）

科學(xué)出版社地球科學(xué)訂閱號