地层空间应力场的开采扰动与模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:黄河水利出版社

作者:刘长武、翟才旺

出品人:

页数:222

译者:

出版时间:2005-12

价格:26.00元

装帧:

isbn号码:9787807340188

丛书系列:

图书标签:

• 地层应力
• 开采扰动
• 数值模拟
• 岩石力学
• 油气工程
• 地质力学
• 矿井压力
• 应力场分析
• 安全评估
• 灾害防治

《地层空间应力场的开采扰动与模拟》 本书深入剖析了地层空间应力场的复杂性及其在矿产资源开采过程中所面临的严峻挑战。核心内容聚焦于开采活动如何在地层内部引发一系列精细而又广泛的应力扰动，并在此基础上，详细阐述了如何运用先进的数值模拟技术对这些扰动进行精确预测与评估。 第一部分：地层空间应力场基础理论 本部分为后续内容奠定坚实的理论基础，系统梳理了与地层空间应力场相关的基础概念与关键理论。 地层力学基本原理：详细介绍岩石力学、地应力（初始地应力、构造应力）的成因机制、分布特征及其影响因素，包括岩性、地质构造、埋深、构造运动等。我们将探讨单轴压缩、三轴压缩实验的原理及结果解读，以及岩石的弹塑性行为、强度准则（如摩尔-库仑准则、Drucker-Prager准则）在描述岩体变形与破坏中的应用。 应力场的基本概念与分类：深入阐述应力张量、主应力、应力轨迹、应力边界条件等核心概念。区分并解释不同类型的地层应力场，如均匀应力场、非均匀应力场、应力集中区等，并探讨它们在地质体中的形成与演化过程。 地层空间应力场影响因素的分析：系统分析区域构造应力、岩体自重应力、流体压力（孔隙压力、基质压力）以及温度场等对地层空间应力场的影响。详细阐述如何通过现场勘测（如水力压裂法、钻孔应力测量法）和室内实验来获取和确定地层的真实应力状态。 第二部分：开采活动对地层空间应力场的扰动机制 本部分是本书的重点，详尽分析各种开采活动如何成为地层空间应力场的主要扰动源，并揭示其内在的物理机制。 不同类型开采方式的扰动特点： 地下采矿：重点研究地下采空区的形成、发展与演变过程，以及采空区边界应力重分布的机制。分析不同支护方式（如金属支架、锚杆支护、膏体充填）对采空区围岩应力状态的影响。探讨大规模地下开采（如煤矿、金属矿）可能引起的区域性地应力调整，以及对相邻矿床或地层的影响。 露天采矿：分析边坡开挖造成的卸荷效应，以及卸荷过程中围岩应力场的释放与调整。探讨深部露天矿边坡稳定性与采动应力之间的耦合关系，以及可能引发的山体滑坡、崩塌等地质灾害。 油气开采（石油、天然气、页岩气）：深入研究储层注水、抽采、压裂等活动如何改变储层内的孔隙压力和有效应力。分析非常规油气开采（如页岩气、致密油）中水力压裂裂缝的扩展与缝网演化对地应力场产生的复杂影响。探讨注CO2、注水封存等活动对地层稳定性的潜在扰动。 水资源开采（地下水抽采）：分析大规模地下水抽采导致的地下水位下降，进而引起孔隙压力降低，有效应力增加，可能诱发地表沉降、区域性地应力调整，甚至引发微震活动。 地热开采与地下工程：研究地热开采过程中温度变化引发的热应力，以及注水回灌对地应力场的扰动。分析隧道、地下洞室等工程建设中，基岩开挖与支护对周围地层应力场的改变，以及可能引发的围岩变形与失稳。 扰动机制的微观与宏观分析： 孔隙压力变化：详细阐述流体（水、油、气）在岩石孔隙和裂隙中的运移，以及孔隙压力变化如何通过有效应力原理直接影响岩体的宏观力学行为。 岩石变形与破坏：分析开采过程中岩体的弹性变形、塑性变形、蠕变以及断裂破坏等过程。探讨不同应力路径下岩石的破坏模式，以及采动应力对岩体整体稳定性的影响。 应力重分布与应力集中：详细分析开采后，原有的应力场如何重新分布，形成新的应力集中区域，以及这些区域对岩体稳定性、矿山动力灾害（如矿震、岩爆）的诱发作用。 裂缝扩展与相互作用：研究开采活动（特别是水力压裂）如何诱发和扩展岩石中的原生裂缝和诱生裂缝，以及这些裂缝的相互作用如何影响宏观应力场的分布和岩体的渗透性。 地层沉降与隆升：分析地下资源的开采、抽取或注采等活动，如何导致地层发生不同程度的沉降或隆升，并探讨这些变形对地表基础设施和工程安全的影响。 第三部分：地层空间应力场扰动的数值模拟方法 本部分系统介绍用于模拟地层空间应力场及其开采扰动的各类数值模拟技术，强调其原理、适用范围、建模过程与结果解释。 数值模拟方法的选择与应用： 有限元法 (FEM)：详述基于连续介质力学的有限元方法在模拟大范围地层变形、应力分布和裂缝扩展中的应用。重点介绍如何建立合理的本构模型（如弹塑性模型、损伤模型、连续介质裂缝模型CMF）来描述岩石的复杂力学行为。 有限差分法 (FDM)：介绍有限差分方法在模拟流体运移、压力变化以及其与应力场耦合作用中的优势。 离散单元法 (DEM)：详细阐述离散单元方法在模拟块体结构岩体、岩石破碎、裂缝萌生与扩展以及大变形过程中的独特作用。尤其适合模拟采空区垮塌、边坡崩塌等离散介质行为。 多场耦合模拟：重点探讨应力场、孔隙压力场、温度场、渗流场等多物理场之间的相互耦合关系，以及如何通过多物理场耦合数值模拟来更真实地反映开采扰动的复杂性。例如，分析流固耦合（流体压力与岩体应力）、热固耦合（温度变化与岩体应力）等。 建模流程与关键参数设定： 几何建模与网格划分：介绍如何根据实际地质情况构建三维地质模型，并进行合理有效的网格划分，以保证计算精度和效率。 本构模型选择与参数确定：详细阐述不同本构模型的适用性，以及如何通过室内实验（如三轴压缩试验、直剪试验、劈裂试验）和现场数据来标定模型的关键参数（如弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、岩石强度参数、渗透率等）。 边界条件与初始条件设定：论述如何根据实际地质情况设定合适的边界条件（如位移边界、应力边界、流体压力边界）和初始应力场、初始孔隙压力场等。 开采过程的模拟：介绍如何将不同开采活动（如采空区卸载、注水、压裂、抽采等）转化为数值模型中的加载或卸载条件，以及如何模拟这些过程的时间演化。 模拟结果的分析与验证： 应力分布与演化分析：如何通过模拟结果分析采动应力场的分布特征、应力集中区的位置与大小、以及随时间和开采深度的演化规律。 变形与稳定性评估：如何利用模拟结果预测地层变形（如沉降、隆升、侧向挤压）、边坡稳定性、采空区围岩稳定性等。 动力灾害风险预测：探讨如何通过应力场模拟来评估矿震、岩爆等动力灾害的孕育和发生概率，并提供预警信息。 与实际数据的对比验证：强调模拟结果与现场监测数据（如地表沉降监测、位移监测、应力监测、微震监测、注采数据等）进行对比验证的重要性，以及如何通过验证来修正模型和提高预测精度。 第四部分：实际案例分析与应用前景 本部分将结合实际的工程和矿产开发案例，运用本书介绍的理论和方法，分析具体问题，并展望未来发展方向。 典型开采扰动案例分析：选取不同地区、不同类型矿产（如煤炭、金属矿、油气、地热）的开采扰动案例，详细展示如何运用数值模拟技术对这些案例进行深入分析，解决实际生产中遇到的应力场扰动问题。例如，某煤矿采空区围岩稳定性分析，某油田注水开发引起的应力变化预测，某页岩气开发中的水力压裂缝网演化模拟等。 应对与减缓开采扰动的策略：基于模拟结果，提出切实可行的应对和减缓地层空间应力场扰动的工程策略。例如，优化开采设计（采矿顺序、采空区充填、巷道布置）、改进支护技术、加强围岩监测预警、合理的流体抽取与注入管理等。 未来研究方向与应用前景：展望地层空间应力场开采扰动与模拟研究的未来发展方向，包括更高精度的本构模型开发、更复杂地质条件下多场耦合模拟方法的进步、智能化预测与决策系统的构建、以及在新能源开发（如CO2地质封存、地下储能）等新兴领域的应用潜力。 本书旨在为矿业工程、石油工程、地质工程、土木工程等相关领域的科研人员、工程师和学生提供一个全面、深入、实用的理论框架和技术指导，以期更好地理解和应对地层空间应力场在开采过程中的复杂扰动，保障资源开发的安全与高效。

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这本书的叙事风格非常独特，它不像许多教科书那样干巴巴地罗列事实，而是充满了探索和发现的“故事感”。作者在阐述每一个理论模型时，总是先从实际工程中遇到的典型问题入手，将抽象的力学原理巧妙地融入到具体的应用场景中，读起来引人入胜。比如，在讲解某一种岩体响应机制时，作者不仅给出了数学推导，还穿插了一些历史上的经典案例，使得这些理论不再是冰冷的符号，而是解决实际工程难题的有力工具。我发现，作者在文字表达上非常克制而精准，既有学术的严谨，又不失文采，尤其是对于一些复杂的物理现象的描述，常常能用一两句精辟的总结画龙点睛。这种深入浅出的叙述方式，极大地提升了阅读的趣味性，让我即使在下班后疲惫的状态下，也能保持高度的专注，并且总能从中汲取到新的启发。

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这本书的引文和参考文献部分，展现了作者扎实的学术功底和广阔的学术视野。我特意查阅了几处作者引用的文献，发现其来源涵盖了多个国际顶尖的期刊和重要的会议记录，并且时间跨度合理，既尊重了经典理论的奠基性贡献，也紧跟了最新的研究动态。这种高质量的引用不仅保证了书本内容的权威性，更重要的是，它为有志于进一步深耕此领域的读者搭建了一条清晰的、通往更专业知识殿堂的“阅读路径”。通过追踪这些参考文献，我可以迅速定位到与我当前研究兴趣最相关的核心文献集合，这无疑为我后续的研究工作节省了大量的筛选时间，体现了作者乐于分享、促进学术交流的良善意图。

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从内容深度上来说，这本书无疑是站在了该领域前沿阵地的。它没有停留在对既有成熟理论的简单复述，而是大胆地引入了一些最新的研究进展和尚未完全解决的挑战性问题。我欣赏作者敢于直面复杂性和不确定性的勇气，在某些章节，作者甚至提出了自己独到的见解和未来研究的方向，这对于希望从事交叉学科研究的读者来说，提供了非常宝贵的指引。特别是对于那些涉及多场耦合、非线性特征的讨论部分，虽然理解起来需要多次回溯和思考，但正是这种深度的碰撞，才真正体现了这本书的价值。它不是一本“快速入门”的指南，而是一本需要“沉淀”和“消化的”专著，需要读者带着问题意识去阅读，才能真正体会到作者构建的知识体系的宏大与精妙。

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这本书的实用价值和参考潜力超乎我的预期。我原本以为这会是一本偏重理论推导的纯学术著作，但实际上，作者在书中穿插了大量关于数据处理和结果可视化的讨论。虽然没有直接给出详细的代码实现，但其对数值方法选择的评述，以及对模拟结果的敏感性分析的侧重，都明确指向了工程实践中的关键环节。对于我这样的应用研究者来说，了解“为什么选择这个模型”和“如何解读模拟出来的图谱”比单纯记住公式更为重要，而这本书恰恰在这方面做得非常到位。它提供了一种系统的思维框架，帮助我们理解如何将理论模型转化为可靠的工程评估工具，这种方法论的指导意义是深远的。

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这本书的装帧设计着实吸引眼球，封面那深邃的蓝色调配上简洁的白色字体，给人一种专业而又不失稳重的视觉感受。初次翻阅，便被其严谨的学术氛围所感染，尽管我并非该领域的资深专家，但书中的图表和公式布局清晰，逻辑性极强，让人能感受到作者在内容组织上的匠心独运。我特别留意了目录部分，它像一张精心绘制的地图，勾勒出了一个宏大而精细的研究框架，从理论基础的奠基到具体数值模拟的展开，层层递进，结构紧凑，显示出作者对整个学科脉络的深刻把握。这种编排方式极大地降低了初学者的阅读门槛，即便对复杂概念感到困惑，也能通过清晰的章节划分找到相应的知识点进行深入研读，而不是被海量信息淹没。整体来看，这本书的排版和印刷质量也无可挑剔，纸张的触感温润，墨色均匀，阅读体验非常舒适，是一本值得细细品味的学术力作。

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