博士前沿讲座论文

是我们的体系更加的丰富， 更丰满。 当然对采用时变边界的采动岩体渗流系统的 研究会使得我们整个研究领域（采动岩体渗流力学）更加的完善，让渗流理论不 断的走向成熟，当然这不开我们的不断创新和探索！ 其次还有王连国老师关于非线性学科的讲解，我们都知道就数学上而言，线 性方程与非线性方程本质的区别， 在于前者任意两个方程的解做线性叠加后仍是 方程的解，也即线性叠加原理。为我们解决线性问题提供了一个思路，把问题分 成几个部分分别解决， 再将它们叠加起来就是整个问题的答案。而对于非线性问 题， 我们这种处理方法就不适用了， 因为非线性方程已经不满足线性叠加原理了。 因此我们必须从问题的整体出发，所以明显这给我们解决问题增加了难度，同时 说明非线性问题的复杂性。 但是我们的认知告诉我们可以用相对简单的线性关系 来刻画线性问题的定量关系，对于非线性因素不能忽略的情况下， 往往采用线性 近似或线性迭代的方法来处理，这样常常也能满足我们对处理事物的要求。但他 只用来处理一些较为简单的非线性问题，随着我们对自然界认知的不断深化，非 线性问题成为常态问题， 这不得不让我们对它更加重视。 就本质来说自然界应是 非线性的， 其次许多的强非线性作用与长时间尺度的系统行为，都不能用线性方 法来描述。 即使表面看起来简单的非线性也可能存在很强的复杂性，所以我们对 非线性的研究更加的关注！ 非线性现象是指用传统的线性方法不能说明的那些现象， 比如分形和混沌等。 非线性学科研究的是非线性现象的共性，它存在与各个物理学科中，因此有其具 体性， 需要分类研究但它的共性有超脱于各个具体学科，具有普适性是非线性问 题的深刻规律性的体现。 进入 20 世纪后期和 21 世纪计算机技术得到了迅猛的发 展， 计算能力和速度的提升让我们对非线性的研究取得了一些突破。我们可以用 计算机对非线性问题做定量的仿真与实验。 所以大量的非线性分析软件从各个科 学研究领域产出用于解决本领域特有的非线性问题。 他们逐渐扩展到很多领域如 经济学、社会学、管理学、有的甚至运用到了国际关系研究领域。然而在 60 年 前在物理学界对于非平衡系统，常认为是不可捉摸的、杂乱无序的。在 1969 年 Prigogine 提出耗散结构的概念，说明系统是开放的处于远离平衡状态，其内部 结构有非线性的相互作用， 并逐渐发展成为耗散结构理论，让我们对非平衡系统 的认识取得重大突破，后来 Haken 的协同学克服了耗散结构理论的局限性，从 物理系统出发，研究了系统如何在子系统的协同下，由无序走向有序的过程。在 分析天气预报模型时， 人们得出了气象不可预报的结论， 人们第一次发现了混沌， 但直到有人提出描述确定性系统表现出“初值敏感性”的随机行为的混沌理论， 从 而把复杂行为理解为有目的的某种行为的方法，而不理解为外来的偶然行为。 1982 年 Mandbrot 提出分形几何理论，他通过自相似性为我们描述复杂性又提供 了一种方法。 人工神经网络创立于 80 年代中期， 试图模拟人脑的一些基本特征， 如自适应，自组织，容错性等，已经在模试识别、数据处理、自动控制等领域得 到广泛应用。
定质量破碎岩样、变质量破碎岩样、圆板形岩样，所用的渗透剂有水、瓦斯，水 沙等。 圆柱形岩样渗透试验：破坏过程渗透试验技术已经相当的完善，主要是由于 仪器的定型和普及。 并且在这方面渗透研究成果极为丰富，研究的关注点主要是 不同矿区的渗透性差异。 岩石裂隙水沙渗透试验： 该试验中由于水沙互不相容， 沙子沉积于水的下部， 需要搅拌才能流动到岩石裂隙中，因此在这个实验过程中搅拌尤为重要，常用的 搅拌器有： 磁力搅拌器、 气动搅拌器、 机械搅拌器、 电动搅拌器、 压缩空气搅拌、 泵搅拌。 破碎岩石渗透试验： 堆石料的渗透试验→承压破碎岩石渗透试验→承压破碎 岩石渗透—蠕变试验→破碎岩石水沙两相渗透试验 → 考虑质量流失的破碎岩 石渗透试验→考虑质量流失的胶结破碎岩石渗透试验。 圆盘形（弯曲和剪切）岩样渗透试验：弯曲/剪切岩样的一侧具有空腔，破 坏后空腔中可以被液体占据，也可被固体占据。岩样中部分材料脱离母体，流量 瞬间增大到泵的最大流量。弯曲/剪切岩样渗透试验的难点在于渗流速度的计量 或计算。只能得到流量-压力差曲线，难以提取到渗透率。 采动岩体渗流系统它是一个非线性的，行为比较复杂的系统：采动岩体渗流 系统存在着各种非线性环节并且多种运动形式之间相互影响、不可解耦，因此采 动岩体渗流系统的非线性和复杂行为成为采动岩体渗流力学的重要研究课题。 采 动岩体渗流系统非线性行为的主要数学基础是微分动力系统的分岔理论。 分岔理 论认为非线性微分动力系统的结构稳定性受控于系统的参量， 当控制参量变化时 系统相轨线的拓扑结构发生变化，即发生结构失稳或曰分岔。分岔分为局部分岔 和全局分岔，前者是平衡态附近的分岔，后者是同宿和异宿轨道分岔。采动岩体 渗流系统复杂行为的根源在于渗流与流体扩散、瓦斯吸附/解吸、岩体变形、化 学反应等多种运动的耦合作用。 这些耦合作用使得采动岩体渗流系统的变量和控 制参量增多，复杂现象更加多样，响应计算和分析难度增大。采动岩体渗流系统 的非线性来自于渗透剂和渗透质两个方面。 当渗透质为非线性介质而渗透剂为线 性介质时，岩体的渗透性参量只取决于渗透质，而与渗透剂无关。当渗透质为线 性介质而渗透剂为非线性介质时，岩体的渗透率不仅取决于岩体的孔隙结构，还 取决于渗透剂的粘性。 由浅入深地研究采动岩体非线性行为过程： 均匀孔隙介质水渗流→均匀孔隙 介质气体渗流→均匀孔隙介质非等温水渗流→考虑质量流失的破碎岩石渗流 → 考虑质量 流失 的胶结 破碎岩石 渗流 → 破 碎岩石水 沙两 相渗流 → 裂隙中非 Newton 流体渗流。采动岩体渗流系统非线性行为的研究已经取得阶段性成果。 这些研究成果大多是基于时间序列分析或响应分析获得的， 而非线性渗流系统定 性研究（不求解方程，根据方程的结构判定系统的结构稳定性）的文献鲜少。 采动岩体渗流系统复杂行为的根源在于耦合作用， 其中岩体变形与渗流之间 的耦合最为复杂。 岩体变形与渗流之间耦合机制在于：采动岩体的变形引起孔隙 度和渗透性参量的变化， 从而引起渗流场的变化；反过来水压和孔隙度的变化引 起岩体速度、位移、应变和应力的变化。采动岩体变形与渗流耦合系统研究的难 点主要在于采动岩体流动法则的构建。岩体剪切屈服或拉伸破坏后，在无穷小时 间内应变偏平面上的相点初始位置和移动方向有多种情形， 而且两种破坏状态之 间可以转化， 同时还有部分质点由弹性状态进入破坏状态。采动岩体变形是动态 的， 故只能确定无穷小时间内应力 （分量） 的增量， 不能确定有限时间内应力 （分
量）的增量。换句话说，应力增量依赖于变形过程，不能建立有限形式的流动法 则（静力学中增量形式的流动法则与时间无关） 。 采动岩体渗流力学发展趋势：采动岩体渗流力学是一门年轻的学科，其理论 体系尚不完善，甚至还不具备成为独立的新科学的条件。因此，采动岩体渗流力 学具有极大的发展潜力。 随着我们能源结构的变化，煤炭资源开采的环保要求更 加苛刻，对采动岩体渗流力学提出的挑战将式非常尖锐的。 首先我们的试验研究对象在逐渐的扩大： 室内试验仍是今后采动岩体渗流力 学的重要手段， 这是因为虽然现有文献涉足的试验对象已经很多，但是采动岩体 渗流力学试验研究的对象仍将进一步扩大。主流趋势有两个，一是渗透质由均匀 变形结构为主转向非均匀变形结构为主， 由单裂隙和规则裂隙结构为主转向不规 则裂隙结构为主；另一是渗透剂由 Newton 流体为主转以非 Newton 流体为主， 由单一流体为主转向多相流体或多组分流体为主。 通过代数理论我对渗流系统的行为研究更加的深入： 在今后采动岩体渗流系 统非线性行为的研究中， 不仅有望在时间序列分析方面取得更多成果，而且灰色 理论、 模糊数学等当代数学理论的应用有望使采动岩体渗流系统非线性行为的研 究取得重要的甚至是突破性成果。 在今后采动岩体非线性渗流系统的时间序列分 析中，有望探索出新的相空间重构方法，利用 Lyapunov 指数、Renyi 熵、拓扑 熵、Kolmogorov-Sinai 等数字特征分析非线性系统的混沌行为有望取得重要成果。 在今后采动岩体渗流系统复杂性行为研究中， 与渗流伴随的运动形式更加多 样，耦合关系更为复杂，控制参量个数更多，这要求人们在高维参量空间研究采 动岩体渗流系统复杂性行为。 由于煤炭开发理念的革命，煤炭生产必将从追求经 济效益转向追求社会效益和环境效益，煤矿安全生产的标准将更加严格，这将推 动煤炭系统的科研工作者敢于面对“维数灾难”、 积极探求采动岩体渗流系统复杂 性， 并在近期取得阶段性成果。 除了以上有望在短期内取得成果的三个方面之外， 尚有两个采矿工程要求急迫但需长期攻关才能有所突破的课题， 一是采动岩体渗 流系统的定性理论，另一是时变边界的采动岩体渗流系统的非线性和复杂行为。 采动岩体渗流力学系统的定性理论： 由于采动岩体变形运动本身的复杂性以 及变形与渗流的耦合作用，采动岩体渗流系统的动力学模型中含有十多个方程 （包括偏微分方程、常微分方程和代数方程）和几十个参量，试图绕过数值响应 分析而直接根据方程的结构来分析系统的稳定性、研究分岔、混沌等行为是极其 困境的。 时变边界的采动岩体渗流系统： 采动岩体渗流系统除了具有普通复杂系统的 共同特征外， 还有一个明显区别于其他系统的复杂性特征，这就是系统的边界随 时变化。 系统的边界变化不是事先给定的，而是在采动岩体变形运动中由于材料 破坏和垮落造成的。目前，关于时变边界的几何描述、材料垮落的机制尚未可行 的思路，因此采动岩体渗流系统的时变边界动力学行为的研究任重道远。 总结： 我们知道了采动过程中渗流系统存在着很多的非线性过程，它结构失 稳能导致很多灾害，例如突水、瓦斯突出、突水溃沙、煤与瓦斯突出等。并且随 着能源结构的调整，由于人们对生活环境的要求越来越高，环保意识提高，煤的 开采所带来的生态破坏引起人们的重视， 这对采动岩体渗流力学提出更大的挑战， 所以我们的试验对象将会进一步扩大，当代数学理论将被广泛应用到该领域。岩 体的变形与流体的各种耦合作用是是导致系统复杂性的根本原因。 所以复杂性的 研究使人们研究的热点， 这样也会引领人们将采动岩体渗流力学的体系更将的完 善与健全。例如我们可以将微分动力系统定性理论运用到采动岩体渗流力学中，
博士专题讲座Hale Waihona Puke Baidu
博士专题讲座请来了在自己研究领域比较有成果的老师为我们上课， 这是一 个难得了解力学专业前沿研究的机会。 上课之后发现每一个老师都是将自己的现 有成果展示给我们， 从中我们了解了很多，同时也给即将也终将从事科研的我们 很大的启发和帮助。它开拓了我们的思维，拓展了我们的事业，激发我们对科研 研究的兴趣。 当然， 课程学习中老师都很敬业， 把自己所长都给我们展示了一遍， 我就自己印象比较深刻的几次谈谈自己的感受。 首先， 是陈占清老师讲的采动岩体渗流力学，说的是它是采动岩体力学的分 支： 力学与采矿工程结合产生了矿山工程力学。矿山工程力学主要研究煤层开采 后岩体（巷道或工作面围岩，简称围岩）中各种机械运动与非机械运动的行为。 因此， 采动岩体力学是矿山工程力学的主干学科，甚至可以说采动岩体力学等同 于矿山工程力学。 经过矿山科技工作者的不解努力，采动岩体力学形成了三大分 支，分别为采动岩体结构力学、采动岩体渗流力学和采动岩体动力学。力学与采 矿工程结合产生了矿山工程力学。矿山工程力学主要研究煤层开采后岩体（巷道 或工作面围岩，简称围岩）中各种机械运动与非机械运动的行为。因此，采动岩 体力学是矿山工程力学的主干学科， 甚至可以说采动岩体力学等同于矿山工程力 学。经过矿山科技工作者的不解努力，采动岩体力学形成了三大分支，分别为采 动岩体结构力学、采动岩体渗流力学和采动岩体动力学。岩石动力学的含义：研 究岩石在动载荷或周期性变化载荷作用下的基本力学性质及其工程效应的科学 分支， 分为波的传播规律和岩体动力学变形和强度性质。其中动载荷一般有如下 分类：在防护工程中有地震、核武器冲击与爆炸、常规武器的冲击与爆炸。工程 爆破引起的地面运动；边坡；岩基；隧洞的动力稳定。列车行进中的振动，机器 基础的振动和冲击，水库诱发地震，潮汐与风浪力，岩爆等。并且岩石静力学与 动力学的主要区别在于应变率，应变率介于 10~104 的变形运动属于岩石动力学 研究范畴，应变率大于 104 则属于物理力学的研究范围。 采动岩石渗流力学与地下水动力学并不一样， 前者主要是考虑流体在采动岩 体中流动的稳定性。 它是建立在渗流失稳假说基础上的年轻学科，例如煤矿常发 的突水、瓦斯突出、突水溃沙等自然灾害是渗流失稳的体现，而渗流失稳的机制 在于渗流系统的非线性和参变性（系统控制参量随时间变化） 。渗流系统的非线 性环节既体现在渗透剂中，也体现在渗透质中。当渗透剂为非 Newton 流体时， 即便是均匀的孔隙介质， 渗流的动量守恒方程也是非线性的。当渗透质为低孔隙 度致密岩石或粗糙裂隙时， 即便渗透剂为水， 渗流的动量守恒方程也是非线性的。 非线性渗流系统的稳定性是由渗透性参量决定的， 一个渗透性参量时变的渗流系 统很可能发生结构失稳（分岔）和运动失稳。渗透性参量时变的机制在于固体变 形对渗透性参量的决定性影响。 当然渗流失稳假说的数学基础是结构稳定性理论， 结构不稳定的系统在物理上是不存在的， 渗流失稳是流体在多孔介质中流体形态 的转变。它研究的方向主要有以下几个方面：岩体非 Darcy 渗流系统的结构稳定 性；采动岩体非 Darcy 渗流系统的动力学响应；伴随着扩散、对流、解吸和化学 反应的渗流系统动力学响应； 岩体变形与渗流耦合系统动力学行为；变质量岩体 渗流；非 Newton 流体渗流；多相流体和多组分流体渗流。 那么研究中所需要的试验：主要用到的渗透质有圆柱形岩样、裂隙岩样、恒