演變孔裂隙巖體力學

傳統巖體力學是以經典固體力學為基礎，以實驗研究為主要手段的工程力學學科分支，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問題越來越突出，而且在長期地質作用與人類工程活動中，不同尺度規(guī)模的不連續(xù)結構或構造均會隨外部環(huán)境條件的變化而不斷演化，此即所謂演變孔裂隙巖體。為解決這類復雜問題，亟須建立演變孔裂隙巖體力學體系。本書基于團隊多年教學與研究實踐，將團隊在演變孔裂隙巖體力學特性方面的部分研究成果與固體力學、流體力學等相關基礎學科知識有機融合，旨在為博士、碩士研究生及相關科研人員提供較為系統的基礎知識，并為進一步推動學科交叉與知識創(chuàng)新提供思路借鑒。

實現 “雙碳”目標的關鍵是新能源及儲能技術創(chuàng)新與傳統化石能源低碳清潔利用同步發(fā)展。對于傳統化石能源而言，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開始向深部進軍。地下煤炭資源開采深度已經達到1500m，1500m以深的資源量還很大，原位改性流體化開采工藝是實現深部資源高效安全開采的重要技術方向。當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低于10-3mD。因此，作為供應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，迫切需要巖體力學及相關學科的深度創(chuàng)新與快速發(fā)展。

巖體力學是所有地質資源和能源高效開發(fā)利用的基礎學科知識，自20世紀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及深地非常規(guī)資源開發(fā)，巖體力學在中國也有了較為長足的進步與發(fā)展。特別是21 世紀以來，隨著深部高溫巖體地熱、油頁巖油氣、頁巖氣、煤系氣等非常規(guī)地質油氣資源壓裂改性高效開采理論技術的發(fā)展，對巖體力學的研究認識也進一步深化，固-流耦合、熱-流-固耦合、熱-流-固-傳質耦合研究不斷深入；對巖體的認識也由傳統的以均質、各向同性、連續(xù)介質特性為主的巖石，向非均質、各向異性的孔隙、孔裂隙、演變孔裂隙巖體介質轉變；與此同時，在這一孔裂隙結構不斷演變的多孔非連續(xù)巖體介質中，由于注入壓裂或熱解改性介質的存在，以及通過改性生產的油氣資源的相態(tài)轉化及擴散運移，固-液或固-液-氣多相態(tài)物質之間相互作用，且固體骨架特性也由彈脆性向彈塑性、黏彈塑性等轉變。所有上述這些固體物理結構與多相態(tài)物質耦合作用的復雜變化，亟須對傳統巖石力學知識體系進行創(chuàng)新發(fā)展；在創(chuàng)新實驗研究基礎上，綜合固體力學、損傷斷裂力學、流體力學等基礎科學理論，創(chuàng)立更為高階的演變孔裂隙巖體力學理論，在推動巖石力學學科進步的同時，也更好地服務于未來“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驗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機

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壓裂裂縫擴展形態(tài)示例

ScCO2壓裂裂縫擴展形態(tài)展布圖示例

本書在深度總結經典巖體力學著作精髓的基礎上，精心整合了作者團隊近年來在演變孔裂隙巖體力學領域的創(chuàng)新性研究成果，旨在為讀者呈現一個既包含傳統經典理論又融合最新科研進展的知識體系，主要內容如下。

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

(2)固體力學基礎。首先簡要概述固體力學的基本內容，而后系統總結巖體熱彈性力學和巖體塑性力學的基本理論，最后論述固體力學與巖體力學的聯系，以及演變孔裂隙巖體力學中涉及的固體力學知識。

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

(4)演變孔裂隙巖體流變力學。首先介紹流變力學的基本元件和力學模型，然后在總結作者團隊關于鹽巖和鈣芒硝鹽巖蠕變實驗的基礎上，系統介紹其在熱-流-固耦合作用下的破壞特征和蠕變損傷模型。

(5)演變孔裂隙介質多尺度滲流力學。首先介紹多孔介質的幾何性質和表征參數、流體性質和達西滲流力學模型，然后著重論述各類微觀滲流力學模型和滲流效應，最后討論演變孔裂隙介質多尺度滲流問題、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特性和抗剪強度準則，繼而結合作者團隊關于巖體裂隙滲流的實驗與理論研究，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、裂隙有效應力原理的基礎上，系統論述熱-流-固耦合作用下孔裂隙介質性態(tài)變化特征與機理、孔裂隙介質滲流特性與傳熱特性，然后介紹孔裂隙雙重介質熱-流-固耦合數學模型，最后討論演變孔裂隙介質耦合的不確定性。

(8)演變孔裂隙巖體力學實驗裝置與方法。首先簡要概述巖體力學試驗機發(fā)展概況，然后系統介紹作者團隊近20年來在溶解類礦體孔裂隙演變及其滲流力學實驗、吸附膨脹/解吸收縮類煤體的滲透性演變實驗、高溫熱解低變質煤/油頁巖孔裂隙演變滲透率演化實驗、高溫巖體地熱開發(fā)滲透率演化實驗、超臨界CO2浸蝕煤體結構面剪切-滲透性演化實驗、煤層氣開發(fā)巖體致裂增滲實驗方面的實驗裝置和方法。

(9)巖體力學發(fā)展與展望。在分析巖體力學研究現狀及存在問題的基礎上，系統論述巖體力學未來充滿前景的發(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

責任編輯：李 雪 李亞佩

本書由團隊成員共同完成，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)國統稿。

本書是太原理工大學原位改性采礦理論與技術團隊在國家杰出青年科學基金項目(No.51225404)、國家自然科學基金項目(No.50874078，51874206)、國家自然科學基金聯合基金重點項目(No.U22A20167)、山西省“三晉學者”人才團隊項目、山西省自然科學基金面上項目(No.202403021211211)及企業(yè)合作項目資助下，在原位改性采礦教育部重點實驗室開展了大尺寸真三軸壓裂、超臨界CO2 壓裂驅替CH4、高溫高壓三軸壓裂滲流等系列實驗儀器設備研制及相關實驗研究基礎上，融合固體力學、損傷斷裂力學、流體力學等經典力學理論而成，以期為礦業(yè)工程及深地資源開發(fā)工程相關研究人員提供系統全面的基礎理論知識。

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

本書適用于礦業(yè)工程、能源工程、土木工程相關學科研究生、高年級本科生及相關科研和工程技術人員學習參閱使用。

地球為你而轉！

歡迎關注：賽杰奧（sci_geo）

科學出版社地球科學訂閱號