传统岩体力学是以**固体力学为基础，以实验研究为主要手段的工程力学学科分支，随着地下资源能源开发工程逐渐向深地、深海及非常规油气方向发展，更多高温、高压、低渗透以及多场耦合作用条件下的演变孔裂隙岩体力学问题越来越突出，而且在长期地质作用与人类工程活动中，不同尺度规模的不连续结构或构造均会随外部环境条件的变化而不断演化，此即所谓演变孔裂隙岩体。为解决这类复杂问题，亟须建立演变孔裂隙岩体力学体系。《演变孔裂隙岩体力学》基于团队多年教学与研究实践，将团队在演变孔裂隙岩体力学特性方面的部分研究成果与固体力学、流体力学等相关基础学科知识有机融合，旨在为博士、硕士研究生及相关科研人员提供较为系统的基础知识，并为进一步推动学科交叉与知识创新提供思路借鉴。

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 原位改性流体化采矿 1
1.2 演变孔裂隙岩体力学科学内涵 2
1.3 孔裂隙岩体成岩条件与关键特征 5
1.4 孔裂隙岩体力学研究内容与方法 6
1.5 本章小结 9
思考题 9
参考文献 9
第2章 固体力学基础 12
2.1 概述 12
2.2 固体力学基本内容 13
2.3 岩体热弹性力学 14
2.3.1 应力与应力张量 15
2.3.2 应变 16
2.3.3 广义胡克定律 17
2.3.4 基本方程 17
2.3.5 边界条件 19
2.4 岩体塑性力学 20
2.4.1 应力与应变分析 21
2.4.2 屈服准则 23
2.4.3 流动法则 26
2.4.4 硬化法则 27
2.5 固体力学与岩体力学的联系 28
2.5.1 固体力学与多学科交叉融合 28
2.5.2 演变孔裂隙岩体力学中的固体力学 30
2.6 本章小结 31
思考题 32
参考文献 32
第3章 岩体损伤与断裂力学 34
3.1 概述 34
3.2 岩体损伤力学 35
3.2.1 固体材料的损伤与破坏 35
3.2.2 损伤变量 36
3.2.3 损伤力学的四个等效性假设 37
3.2.4 岩体弹脆性损伤力学 41
3.2.5 岩体弹塑性损伤力学 47
3.2.6 岩体断裂发展的损伤力学表征 55
3.3 岩体线弹性断裂力学 57
3.3.1 Griffith裂纹表面能理论 59
3.3.2 应力强度因子理论 60
3.3.3 J积分 62
3.3.4 裂纹扩展方向判定准则 64
3.3.5 裂纹面受压摩擦理论 64
3.4 岩体准脆性断裂力学 66
3.4.1 准脆性断裂力学基础 66
3.4.2 准脆性断裂的分析方法 67
3.4.3 场强度参量 68
3.4.4 黏聚型裂纹理论 71
3.5 岩体弹塑性断裂力学 75
3.5.1 发展背景 76
3.5.2 裂纹尖端弹塑性应力、应变场的特性 77
3.5.3 场强度参量 78
3.6 本章小结 80
思考题 81
参考文献 81
第4章 演变孔裂隙岩体流变力学 82
4.1 概述 82
4.2 流变力学模型理论 83
4.2.1 概述 83
4.2.2 基本元件 84
4.2.3 组合模型 86
4.2.4 三维模型 92
4.3 温度-应力耦合蠕变模型 95
4.3.1 概述 95
4.3.2 温度-应力耦合盐岩蠕变实验 96
4.3.3 温度-应力耦合盐岩分数阶黏弹塑性蠕变损伤模型建立 102
4.3.4 温度-应力耦合盐岩黏弹塑性蠕变损伤模型验证 109
4.4 演变孔裂隙岩体蠕变模型 112
4.4.1 概述 112
4.4.2 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变实验 112
4.4.3 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变破坏特征 120
4.4.4 热-流-固耦合钙芒硝盐岩蠕变模型建立与验证 125
4.5 本章小结 127
思考题 129
参考文献 129
第5章 演变孔裂隙介质多尺度渗流力学 130
5.1 概述 130
5.2 多孔介质表征特征参数 130
5.2.1 多孔介质几何性质 131
5.2.2 孔隙率及连续介质 131
5.2.3 渗透率 132
5.2.4 孔隙压缩系数与迂*度 135
5.3 流体性质 135
5.3.1 流体相态 135
5.3.2 流体密度 136
5.3.3 流体黏度函数 137
5.3.4 流体压缩系数和热膨胀系数 137
5.4 达西渗流力学模型 138
5.4.1 基本方程 139
5.4.2 单相流体渗流模型 144
5.4.3 两相流体渗流模型 147
5.5 微观渗流力学模型 150
5.5.1 滑脱效应 152
5.5.2 克努森扩散 152
5.5.3 吸附行为及孔隙吸附变形 153
5.5.4 分子扩散和表面扩散 155
5.5.5 气体稀薄效应 156
5.5.6 表观渗透率模型 157
5.6 演变孔裂隙介质多尺度渗流理论 158
5.6.1 多孔介质多尺度问题 159
5.6.2 跨尺度渗流模拟 160
5.6.3 演变孔裂隙介质渗流特征 162
5.7 本章小结 163
思考题 163
参考文献 163
第6章 岩体裂隙变形与渗流特性 166
6.1 概述 166
6.2 岩体裂隙特性及表征 168
6.2.1 裂隙几何特征 168
6.2.2 裂隙表面几何特性及表征 170
6.2.3 裂隙空间几何特性及表征 174
6.3 岩体裂隙力学特性 182
6.3.1 裂隙变形性质 182
6.3.2 裂隙抗剪强度 183
6.3.3 岩体裂隙抗剪强度准则 186
6.4 岩体裂隙渗流特性 191
6.4.1 光滑裂隙渗流模型 191
6.4.2 粗糙裂隙渗流模型 191
6.4.3 裂隙变形-渗流耦合特性 197
6.4.4 裂隙剪切-渗流特性 198
6.4.5 粗糙裂隙非线性渗流特性 200
6.5 演变裂隙渗流特性 201
6.6 本章小结 217
思考题 217
参考文献 218
第7章 演变孔裂隙介质多场耦合作用 222
7.1 概述 222
7.2 有效应力原理 223
7.2.1 多孔介质有效应力原理 223
7.2.2 岩体裂隙有效应力原理 224
7.3 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质性态变化 226
7.3.1 THM耦合作用对岩石性态影响机理 226
7.3.2 THM耦合作用下岩石力学特性变化 228
7.4 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质渗流特性 233
7.4.1 THM耦合作用对岩体渗透率影响机理 233
7.4.2 THM耦合作用下岩石渗透率规律 235
7.5 热-流-固耦合作用下孔裂隙介质传热特性 237
7.5.1 THM耦合作用对岩体热力学特性影响机理 237
7.5.2 THM耦合作用下岩石热力学特性变化规律 237
7.6 孔裂隙双重介质热-流-固耦合数学模型 241
7.6.1 岩石热-流-固耦合模型 242
7.6.2 岩体裂隙热-流-固耦合模型 244
7.7 考虑微纳孔渗流及裂缝扩展的孔裂隙三重介质热-流-固耦合基本架构 250
7.7.1 微纳孔隙-宏观孔隙-裂隙三重介质渗流模型 251
7.7.2 热-流-固耦合下的裂隙动态扩展及渗流模型 252
7.8 孔裂隙演变对热-流-固耦合项的影响 253
7.9 演变孔裂隙介质耦合的不确定性 254
7.10 本章小结 256
思考题 256
参考文献 257
第8章 演变孔裂隙岩体力学实验装置与方法 259
8.1 概述 259
8.2 岩体力学试验机发展概况 259
8.2.1 试验机的发展历程 259
8.2.2 演变孔裂隙岩体力学实验装置 261
8.3 溶解类矿体孔裂隙演变及渗流实验 265
8.3.1 工程应用背景 265
8.3.2 实验设备 265
8.3.3 试样制备 266
8.3.4 实验流程 267
8.3.5 实验示例 268
8.4 吸附膨胀/解吸收缩类煤体渗透性演变实验 269
8.4.1 CH4与气态CO2在煤体内混合渗流特性的实验 269
8.4.2 超临界CO2与应力耦合作用下煤体的渗透及变形实验 272
8.5 高温热解低变质煤/油页岩渗透率演化实验 276
8.5.1 工程应用背景 276
8.5.2 实验设备 277
8.5.3 试样制备 277
8.5.4 实验流程 278
8.5.5 实验示例 278
8.6 高温花岗岩渗透率演化实验 280
8.6.1 工程应用背景 280
8.6.2 实验设备 281
8.6.3 试样制备 282
8.6.4 实验方法 282
8.6.5 实验示例 283
8.7 超临界CO2浸蚀煤体结构面剪切-渗透率演化实验 283
8.7.1 工程应用背景 283
8.7.2 实验设备 284
8.7.3 试样制备 284
8.7.4 实验方法 285
8.7.5 实验示例 285
8.8 煤系地层煤岩体致裂增渗实验 287
8.8.1 水力压裂增渗实验 287
8.8.2 ScCO2压裂增渗实验 290
8.8.3 穿层压裂增渗实验 293
8.8.4 N2泡沫压裂增渗实验 295
8.9 本章小结 298
思考题 298
参考文献 298
第9章 岩体力学发展与展望 300
9.1 岩体力学发展 300
9.2 岩体力学展望 302
9.3 演变孔裂隙岩体力学发展方向 305
9.4 本章小结 307
思考题 307
参考文献 307
**文献 309
Contents
Preface 1
Preface 2
Foreword
Chapter 1 Introduction 1
1.1 In-situ Modified Mining by Fluidization 1
1.2 Scientific Connotation of the Mechanics of Evolving Porous and Fractured
Rock Mass 2
1.3 Diagenetic Conditions and Key Characteristics of the Porous and Fractured
Rock Mass 5
1.4 Research Content and Methods of the Mechanics of Porous and Fractured
Rock Mass 6
1.5 Main Contents of This Book 9
Summary
Thinking Questions 9
References 9
Chapter 2 Fundamentals of Solid Mechanics 12
2.1 Overview 12
2.2 Elementary Contents in Solid Mechanics 13
2.3 Thermo Elasticity of Rock Mass 14
2.3.1 Stress and Strain Tensors 15
2.3.2 Strain 16
2.3.3 General Hook’s Law 17
2.3.4 Basic Equations 17
2.3.5 Boundary Conditions 19
2.4 Rock Mass Plasticity 20

第1章 绪论
　　凿开混沌得乌金，藏蓄阳和意*深。
　　—于谦《咏煤炭》
　　1.1 原位改性流体化采矿
　　原位改性流体化采矿是指在原位对矿体进行物理、化学性态改造，是实施矿物流体化开采的一种新型采矿方法[1]，它是与传统固体矿床井工开采、流体矿床钻井抽采并列的一类地质资源与能源开采方法。
　　随着常规能源如煤炭、石油、天然气、金属与非金属矿产日益短缺，亟须开发新型的、深层的非常规地质资源与能源，如干热岩地热、油页岩、煤层气、页岩气、砂岩气、岩盐等。这类资源能源矿体致密，矿物以固态、热能、吸附态等形式赋存，加之埋藏深度大、能量密度低，传统采矿方法难以奏效。原位改性流体化采矿方法就是针对这类新型的、非常规地质资源与能源开发而提出的。
　　原位改性流体化采矿方法*早可追溯到1400多年前在中国和欧洲地区进行的盐矿水溶开采，该方法在20世纪取得了长足进步，如煤炭地下气化、铜矿与铀矿原位溶浸开采、干热岩地热开采等均在这一时期进行了工程化应用。20世纪80年代后期，章梦涛先生[2]*早关注这一具有重大应用前景的科学问题；此后，赵阳升院士于2006年提出了“固体矿物流体化开采”的新型研究方向[3]；谢和平院士等[4，5]针对深部煤炭资源开采难题，先后提出了煤炭资源流态化开采的构想、理论与技术体系。自2000年以来，作者团队持续深入地开展盐矿水溶开采、低渗透煤层煤层气改性开采、油页岩热解开采油气、干热岩地热开采等领域的科学与工程研究，丰富了原位改性流体化采矿的理论框架。
　　原位改性流体化采矿方法有以下四个方面的内涵[6]。
　　(1)原位。原位指矿体及围岩处于地下天然的三维应力和多物理场，甚至包括化学与放射性等作用的状态。矿体及围岩是含有孔裂隙、裂缝，甚至断层的复杂介质体。
　　(2)物理、化学方法改造矿体与矿物。例如，干热岩地热开采是通过水力压裂建造人工储留层，属于物理改性，而盐矿水溶开采属于典型的化学改性。
　　(3)改造矿体与矿物的物理、化学性态。具体又包含三个方面：①矿物流体化，即将有用的固体矿物转变为方便运输的流体，如盐矿水溶开采和煤炭地下气化；②矿物提质改性，即在地下原位实现品质较差矿物的提质改性，提高矿物品质，如油页岩干酪根的高温绝氧干馏和褐煤的高温绝氧热解；③矿体多孔化，矿体物理化学改造时会产生大量的孔裂隙，这些孔裂隙为流体化的矿物开采提供了传输通道，以钙芒硝盐岩水溶开采为例，矿物水溶后会形成数量众多的孔裂隙，为矿物的流体化开采提供了运移通道。
　　(4)矿物流体化开采。矿体与矿物被改造后，流体化的矿物就可以沿改造形成的孔裂隙通道经生产井排采至地面，而用于流体化改造的物理化学剂可以源源不断地输入到地下矿层，持续开采未采区域的矿物。
　　1.2 演变孔裂隙岩体力学科学内涵
　　孔裂隙岩体力学的研究对象主要为矿物岩体，简单看属于固体力学范畴，其本构方程以弹塑性固体的广义胡克定律为主，但由于岩体的孔裂隙介质特征，其内部又含气液流体，实质为固-流耦合介质。因此，表征孔裂隙岩体力学特性的本构方程，既包含反映固体变形的弹塑性力学知识，又有反映孔裂隙中流体运移的流体力学知识，即实际工程中的孔裂隙岩体承受的载荷本质上是固-流耦合作用。在深部岩体工程以及原位改性流体化采矿等特殊环境条件下，固-流耦合作用扩展至固-流-热-化学等复杂非线性耦合作用，岩体孔裂隙结构随多物理场耦合作用不断演化是本质常态。
　　具体来说，演变孔裂隙岩体力学的主要研究内容是矿体固体在热-流-固-化学(thermal-hydrological-mechanical-chemical，THMC)耦合作用下，固体骨架的变形、强度、渗流、传热传质等特性的演化规律和固体破裂、孔裂隙发生发展(图1-1～图1-3)的演化规律，以及热-流-固-化学耦合作用下物理化学反应产物的性态演变及相关规律。THMC耦合过程和相关规律，必须采用同步在线的实验仪器和实验方法方可研究与揭示，这是目前国际学术界的热门课题，也是十分艰难的课题[6]。
　　关于岩体多场耦合的研究始于20世纪50年代对水库诱发地震的分析，其并非所处多物理场的简单叠加，而是各个物理场的相互影响和作用(图1-4)。多场耦合作用主要有两种方式：直接耦合和贯序耦合。直接耦合无需将各物理场反复迭代，只是不同物理场的简单耦合；贯序耦合是多场耦合研究中常用的耦合模式，对多物理场进行相互迭代耦合分析，当迭代收敛时则得出耦合问题的解[7]。不同学科领域对于孔裂隙岩体多场耦合的定义和研究重点有差异，以水-力两场耦合为例，有固-流耦合、水-岩相互作用、水-力耦合作用等不同概念，其中固-流耦合主要侧重于研究固体介质和流体之间的耦合效应和规律；水-岩相互作用则侧重于对岩体和水发生的化学反应规律[8]；水-力耦合作用主要研究岩体在孔隙水压和围岩应力两场耦合作用下的力学性能及变形破坏规律。
　　近20年来，在原位改性流体化采矿理论与技术研究的基础上，以矿物改性高效开采为主的演变孔裂隙岩体力学研究取得了一定发展，其中，*典型的是赵阳升院士团队在大量实验的基础上建立了多孔介质多场耦合作用及其工程响应理论，并将其应用于煤与煤层气、油页岩、地热、盐岩等能源资源的开采中[9]。岩体力学的深入研究必须有先进的仪器设备，近年来，国内研究人员在多场耦合实验设备的研发、改进和优化等方面做了大量卓有成效的工作，包括高温高压条件下的三轴试验机，辅以围压和温度加载装置及数据采集记录系统[10]；裂隙岩体耦合作用下的力学实验系统[11]；盐岩裂隙水流-化学溶蚀的耦合实验装置[12]等。理论研究主要集中在多场耦合本构模型[13，14]和蠕变模型[15，16]，以及地应力、地层温度和流体压力耦合作用下岩体孔裂隙演化[17-20]、吸附性和含气量变化[21-23]、渗透性演变[24-26]等规律方面。除此之外，随着计算机技术的发展，多场耦合程序也得到了长足发展，如混合有限元离散元和流形元等非连续介质方法[7]，对应的数值模拟软件有PFC(Particle Flow Code)、UDEC(Universal Distinct Element Code)、3DEC(3Dimension Distinct Element Code)等，其中COMSOL是一款功能强大、操作容易的多场耦合数值模拟软件，已被广泛应用于孔裂隙岩体的THMC耦合作用研究中。
　　与理论和实验研究同步，涉及孔裂隙岩体多场耦合的工程应用发展迅速，如非常规油气开采、高温岩体地热开发、CO2地质封存、盐类矿藏流体化开采等。非常规油气开采通常需要对低渗储层进行压裂以提高其渗透性，采用水基压裂液压裂时属于典型的固-流耦合；采用酸化压裂液或者CO2压裂时则以固-流-化学耦合为主。高温岩体地热开发涉及传质、传热过程，属于典型的固-流-热耦合。CO2地质封存选址一般为深部致密岩层，加之CO2相态受温压影响显著，且溶于水后形成弱酸溶液，因此以固-流-热-化学耦合为主。盐类矿藏通常需要将钠、钾等有益元素采用化学溶浸的方法开采出来，同时，在溶浸开采过程中也伴随矿物溶解的吸放热过程，因此也属于典型的固-流-热-化学耦合作用。
　　综上所述，采用原位改性流体化采矿方法进行地下深部多种类型的矿产资源高效开采时，实质上是固体矿物孔裂隙结构的不断演化，而这一演化过程的本质则是流体(包括注入的改性流体与改性转化生成的流体)与固体的相互耦合作用，根据矿体特性与改性技术方法不同，还叠加耦合有固-流-热-化学多场耦合作用，而在多场耦合作用下，固体孔裂隙结构按一定规律渐进演化，孔裂隙中流体运移特征也发生相应变化，几者始终相互影响、相互作用，即演变孔裂隙岩体力学的内涵与实质。深入揭示这些复杂耦合作用机理规律，是演变孔裂隙岩体力学的主要任务。
　　1.3 孔裂隙岩体成岩条件与关键特征
　　孔裂隙岩体?是由孔隙(储存流体的空间)和裂隙(导流通道)共同构成的复杂岩体结构，广泛分布于沉积岩、火山岩及变质岩中，是油气、地热资源开发及地质灾害防治的核心研究对象。其成岩条件复杂，涉及岩石类型、构造活动、流体作用、温度、压力、化学条件、时间和生物作用等多方面因素，这些因素共同决定了孔裂隙岩体的力学特征与表现。
　　孔裂隙岩体的主要成岩条件包括：①岩石类型。母岩的矿物组成和结构影响成岩过程，而其孔隙度和渗透率则直接影响流体流动和矿物沉淀。②构造活动。构造活动产生的断裂与裂隙为流体在其中的运移提供了通道，而应力场分布则影响裂隙的数量、方向和类型。③流体作用。地下水、岩浆水、热液等流体成分可直接影响矿物沉淀，而流体的流动速度和方向则决定了矿物的分布。④温度与压力。地层温度分布可影响矿物的溶解和沉淀速度，而地层压力则会影响矿物的压实和胶结。⑤化学条件。流体的酸碱度和氧化还原电位影响矿物的稳定性，而流体中的离子浓度则决定了矿物的沉淀顺序。⑥成岩时间。成岩时间越长，矿物沉淀和胶结作用越充分。⑦微生物作用。微生物代谢产物可影响矿物的沉淀和溶解。
　　孔裂隙岩体的关键特征主要包括：①孔隙结构。其中*重要的两个参数是孔隙率和孔径分布，孔隙率是指孔隙在岩体中所占比例，影响岩体的储水性和渗透性，而孔径分布则是指孔隙大小及其分布，决定了流体流动和储存能力。②裂隙网络。其有裂隙密度、裂隙连通性、裂隙方向性三个重要参数。裂隙密度是指单位体积内的裂隙数量，影响岩体的强度和渗透性。裂隙连通性是指裂隙之间的连接程度，决定流体流动路径。裂隙方向性则是指裂隙的排列方向，影响岩体的各向异性。③渗透性。渗透性是孔裂隙岩体的重要性质，其表征参数为渗透系数、渗透率，是衡量流体通过岩体的能力，受孔隙和裂隙控制。孔裂隙岩体的另一个典型特征是渗透的各向异性，通常与裂隙方向有关。④力学特性。孔裂隙岩体强度通常较完整岩石弱，其变形特性呈现出较明显的塑性特征。⑤水力学特性。其包括储水能力与导水能力两方面，储水能力与孔隙率有关，而导水能力则与渗透性有关。⑥化学特性。岩体的矿物组成影响其稳定性，以及岩体与流体作用时的反应效率。岩体的溶蚀性，即岩体在流体作用下的溶解能力，影响孔裂隙的演化。⑦热力学特性。岩体的热力学特性参数主要包含热导率和热膨胀系数，其中热导率反映岩体传导热量的能力，受孔隙和裂隙影响，而热膨胀系数反映岩体在温度变化下的膨胀或收缩程度。
　　1.4 孔裂隙岩体力学研究内容与方法
　　孔裂隙岩体力学的研究内容主要集中在岩体孔裂隙几何特征表征、表征单元体与尺度效应、渗流特性等方面，对应的研究方法包括物理实验、数值模拟和理论分析等。
　　1.孔裂隙几何特征表征
　　岩体中充满各种形式的孔隙和裂隙，准确、直观地表征其几何特征是进一步研究其物理力学特性的基础。孔裂隙空间静态分布特征检测方法有计算机断层扫描(computed tomography， CT)、扫描电镜(scanning electron microscope， SEM)、低场核磁共振等技术；孔裂隙空间动态演化特征检测方法有声发射、微震、超声波等技术；裂隙面几何特征(如粗糙度、张开度)检测方法有形貌扫描、染色剂追踪等技术。
　　在理论分析方面，分形几何学是表征裂隙分布和复杂程度的**方法，其主要概念是分形维数，该概念*早由豪斯多夫(F. Hausdorff)在1909年提出。