绪论 1
0.1 研究背景与意义 1
0.2 研究内容与方法 1
0.2.1 流-固耦合问题的运动学描述 2
0.2.2 适用于动力学计算的流动法则 2
0.2.3 流-固耦合作用 2
0.2.4 流-固耦合系统动力学响应计算方法 2
0.2.5 岩石（煤）的机械性质（强度、渗透性、吸附性等）试验 3
0.2.6 几个特殊问题的分析 3
0.3 研究现状与展望 3
参考文献 4
第1章 流-固耦合问题的运动描述 7
1.1 符号规则 7
1.2 Lagrange坐标和Euler坐标 8
1.3 运动学分析 9
1.4 坐标变换关系 12
1.5 关于旋度张量与旋度矢量的注解 14
1.5.1 旋度张量的定义 15
1.5.2 位移的积分 17
1.6 本章小结 17
第2章 岩石流变的基本理论 18
2.1 岩石流变的基本概念 18
2.2 岩石流变模型 22
2.2.1 元件流变模型 22
2.2.2 Kelvin模型 23
2.2.3 Maxwell模型 24
2.2.4 鲍埃丁-汤姆逊模型 25
2.2.5 伯格模型 26
2.2.6 黏塑性模型 27
2.2.7 黏弹塑性模型 27
参考文献 28
第3章 岩石渗流的基本理论 30
3.1 渗流的基本概念 30
3.2 Darcy定律 32
3.3 渗透系数及渗透率 33
3.4 非Darcy渗流 33
3.5 状态方程 36
3.5.1 液体的状态方程 36
3.5.2 气体的状态方程 37
3.5.3 岩石的状态方程 37
3.6 质量守恒方程 38
3.7 渗透特性与孔隙度的关系 38
参考文献 39
第4章 岩层本构关系 40
4.1 应力和应变的正负号规定及表示方法 41
4.2 变形状态 42
4.3 有效应力与等效孔隙压力系数 44
4.4 孔隙压力对岩石破坏的影响 45
4.5 简单应力状态下塑性流动法则简短回顾 46
4.5.1 单向压缩 46
4.5.2 单向拉伸 47
4.6 剪切屈服后的流动 48
4.7 拉伸破坏后的流动 51
4.7.1 一个小疑问 51
4.7.2 塑性势 52
4.8 复合流动 55
4.9 变形状态的切换 55
4.10 本构关系 59
4.11 本章小结 60
参考文献 61
第5章 含瓦斯煤层运动规律 62
5.1 瓦斯吸附与解吸 62
5.2 瓦斯扩散 64
5.3 瓦斯渗流 65
5.3.1 瓦斯渗流过程中的质量守恒关系 65
5.3.2 瓦斯渗流过程中的动量守恒关系 66
5.4 瓦斯运移过程中的质量守恒和动量守恒 67
5.5 本章小结 68
参考文献 69
第6章 破碎岩石渗透特性测试 70
6.1 概述 70
6.2 测试原理与方法 71
6.2.1 岩石渗透试验方法简介 71
6.2.2 破碎岩石非Darcy渗流的稳态渗透法 72
6.3 试验过程与流程编程 75
6.4 试验结果与数据分析 76
6.4.1 破碎砂岩试验结果及分析 76
6.4.2 破碎煤矸石试验结果及分析 88
6.4.3 破碎灰岩试验结果及分析 99
6.5 关于Darcy流偏离因子b的符号讨论 105
6.6 本章小结 108
参考文献 109
第7章 破碎岩石蠕变试验研究 111
7.1 概述 111
7.2 试验原理与方法 113
7.2.1 试验设备 113
7.2.2 试样及试验方案 114
7.3 试验结果及分析 115
7.3.1 各级应力水平下的孔隙度时间历程曲线 115
7.3.2 相同应力水平下不同含水状态的岩样孔隙率时间曲线 120
7.3.3 各级应力水平下终点孔隙度与轴向应力关系曲线 123
7.3.4 孔隙度随时间变化的拟合关系 124
7.3.5 孔隙度的变化率随时间变化的关系曲线 125
7.4 渗流时间历程曲线 128
7.5 侧限条件下碎石的蠕变模型及其参数确定 130
7.5.1 基本模型 130
7.5.2 传统组合模型 131
7.5.3 模型参数确定 131
7.6 试验误差及分析 136
7.7 试验结果对理论分析和计算的支持 137
7.8 本章小结 137
参考文献 138
第8章 岩石变形与渗流耦合动力学模型 140
8.1 岩石骨架的质量平衡方程 140
8.2 岩石骨架的动量平衡方程 142
8.3 流体的质量平衡方程 143
8.4 流体的动量平衡方程 144
8.5 材料力学性质 144
8.5.1 岩石骨架的渗透特性 144
8.5.2 液体的力学性质 145
8.6 变形-渗流耦合动力学模型 146
8.6.1 基本变量、相关变量、控制参量 146
8.6.2 基本方程与辅助方程 147
8.6.3 定解条件 147
8.7 本章小结 148
参考文献 149
第9章 煤层变形与瓦斯运移的耦合动力学模型 150
9.1 几点假设 150
9.2 耦合作用 151
9.3 动力学模型 152
9.3.1 研究对象 152
9.3.2 基本变量、辅助变量和控制参量 152
9.3.3 基本方程和辅助方程 153
9.4 本章小结 154
参考文献 155
第10章 煤层变形与瓦斯运移耦合系统的响应计算方法 156
10.1 快速Lagrange算法 156
10.2 单元上物理量的计算 159
10.3 节点上物理量的计算 162
10.4 节点上和单元内辅助物理量的计算 169
10.5 边界上节点加速度等物理量的计算 169
10.6 阻尼 174
10.7 几点说明 174
10.8 计算耦合系统响应的Fortran程序说明 177
10.9 本章小结 206
参考文献 206
第11章 破碎岩体非Darcy水渗流的动力学分析 208
11.1 一维非Darcy渗流的动力学方程 208
11.2 初始和边界条件 209
11.3 系统的平衡态 210
11.4 模型的数值计算 211
11.5 平衡态的稳定性分析 212
11.5.1 当b＞0时平衡态的稳定性分析 212
11.5.2 当b＜0时平衡态的稳定性分析 215
11.6 破碎岩体渗流动力系统的分岔研究 220
11.6.1 分岔及其分类 220
11.6.2 破碎岩体渗流的鞍-结分岔 222
11.7 破碎岩体渗流失稳的突变模型 222
11.7.1 突变及其分类 222
11.7.2 破碎岩体渗流失稳的折叠突变 223
11.8 本章小结 225
参考文献 225
第12章 破碎岩体非等温渗流的动力学分析 226
12.1 破碎岩体非等温渗流的非线性动力学方程组 227
12.1.1 流体的能量方程 227
12.1.2 固体的能量方程 227
12.2 系统的平衡态 229
12.2.1 当b＞0时的平衡态 232
12.2.2 当b＜0时的平衡态 232
12.3 模型的数值计算 235
12.4 平衡态的稳定性分析 235
12.4.1 b＞0时平衡态的稳定性分析 235
12.4.2 b＜0时平衡态的稳定性分析 237
12.5 本章小结 246
参考文献 247
第13章 破碎岩体中气体渗流的动力学分析 249
13.1 气体渗流的非线性动力学方程组 250
13.2 系统的平衡态 251
13.3 平衡态的稳定性分析 253
13.3.1 当b＞0时平衡态的稳定性分析 254
13.3.2 当b＜0时平衡态的稳定性分析 255
13.4 气体非Darcy渗流的鞍结分岔及折叠突变 260
13.5 本章小结 261
参考文献 261
第14章 破碎岩体流固耦合渗流动力学分析 263
14.1 应力场方程 263
14.1.1 有效应力方程 263
14.1.2 本构关系 264
14.1.3 应力平衡方程 265
14.2 渗流场方程 265
14.2.1 非Darcy渗流的运动方程 265
14.2.2 连续性方程 266
14.3 状态方程 267
14.4 解耦方法及条件 267
14.5 一维非Darcy渗流的非线性动力学简化模型及数值计算 269
14.5.1 一维非Darcy渗流的动力学方程组 269
14.5.2 初始条件和边界条件 269
14.5.3 系统的平衡态 270
14.5.4 系统的动力学响应及稳定性分析 271
14.6 一维弹性流固耦合渗流的非线性动力学分析 275
14.6.1 应力随时间变化时的动力学方程组 275
14.6.2 耦合系统的平衡态 276
14.6.3 耦合系统平衡态的稳定性分析 277
14.7 本章小结 281
参考文献 282
第15章 巷道整体及局部支护下的围岩应力场 284
15.1 圆形巷道围岩的弹性应力场分析 284
15.1.1 巷道整体平衡支护时围岩的弹性应力场 285
15.1.2 巷道局部支护时围岩的弹性应力场 289
15.1.3 巷道局部弱支护下围岩的应力场 304
15.2 圆形巷道围岩弹塑性应力场分析 311
15.2.1 径向应力为第一主应力的弹塑性应力场 312
15.2.2 环向应力为第一主应力的弹塑性应力场 315
15.3 本章小结 316
参考文献 318
第16章 巷道围岩变形的黏弹性分析 319
16.1 无支护时巷道围岩变形的黏弹性分析 320
16.2 整体平衡支护下围岩与支护系统的黏弹性分析 324
16.2.1 衬砌变形的黏弹性分析 325
16.2.2 围岩变形的黏弹性分析 326
16.2.3 围岩与衬砌交界面上的相互作用力 329
16.2.4 围岩与衬砌交界面上位移时效性研究 331
16.3 局部弱支护下巷道围岩的应变分析 333
16.3.1 围岩正应变随角度的变化规律 333
16.3.2 围岩正应变随半径的变化规律 337
16.3.3 围岩剪应变随半径及角度的变化规律 339
16.3.4 围岩内点的径向位移随半径的变化规律 339
16.4 本章小结 342
参考文献 343
第17章 渗流作用下巷道围岩变形黏弹性分析 345
17.1 渗流作用下巷道围岩稳定性的弹塑性分析 346
17.1.1 渗流场基本方程 346
17.1.2 弹塑性应力场基本方程 346
17.1.3 孔压作用下围岩应力及位移的分布特点 349
17.2 渗流作用下巷道围岩变形的黏弹性分析 351
17.2.1 渗流作用下巷道围岩的弹性应力场 351
17.2.2 渗流作用下巷道围岩的黏弹性位移 352
17.3 非稳态渗流作用下巷道围岩变形的时效性研究 355
17.4 渗流作用下弱支护巷道围岩应力场及蠕变数值模拟 357
17.4.1 数值计算模型 357
17.4.2 数值模拟方案 358
17.4.3 数值模拟结果及分析 359
17.5 巷道围岩支护及控制对策研究 367
17.5.1 考虑围岩的地质条件和岩性 367
17.5.2 考虑巷道局部稳定性的差异 368
17.5.3 考虑水渗流的作用 369
17.6 本章小结 370
参考文献 370
第18章 时变边界系统动力学与瓦斯突出机理 372
18.1 煤与瓦斯突出的几种假说及简评 372
18.2 含瓦斯煤体的边界时变特征 373
18.2.1 煤体破坏区域的时变 373
18.2.2 煤壁附近的边界时变 374
18.2.3 瓦斯压力对煤体时变边界的影响 374
18.2.4 地应力对煤体时变边界的影响 374
18.3 时变边界系统动力学用来解释瓦斯突出机理 374
18.4 本章小结 377
参考文献 377
附录 时变系统动力学简介 379
A.1 时变系统及其分类 379
A.1.1 从参量变化快慢分类 379
A.1.2 从系统时变的部位和方式分类 381
A.1.3 从反冲力的贡献分类 382
A.1.4 从材料是否破坏的视角分类 382
A.1.5 从时变机理分类 383
A.2 时变系统动力学的热点问题 384
A.2.1 材料生长 385
A.2.2 施工力学 390
A.2.3 车-桥耦合振动 391
A.2.4 轴-车床耦合振动 395
A.2.5 约束时变系统 395
A.2.6 充液航天器 405
A.2.7 变质量系统热力学 406
A.3 时变系统动力学的研究进展 406
A.3.1 研究进展 406
A.3.2 发展前景展望 407
参考文献 408