礦山巖石力學

1、主講：高明中主講：高明中 教授教授 趙光明趙光明 副教授副教授 博士博士安徽理工大學能源與安全學院安徽理工大學能源與安全學院1. 1. 礦山巖體力學（主要教材）礦山巖體力學（主要教材） 高延法，張慶松主編高延法，張慶松主編. .徐州徐州: :中國中國礦業(yè)大學出版社，礦業(yè)大學出版社，200020002. 2. 礦山巖石力學（主要教材、作業(yè)）礦山巖石力學（主要教材、作業(yè)） 李通林等編著李通林等編著 重慶大學出重慶大學出版社版社 19911991年年1 1月第月第1 1版版3. 3. 巖石力學基礎巖石力學基礎 耶格、庫克耶格、庫克 高教出版社高教出版社4. 4. 礦山巖體力學礦山巖體力學 鄭永學編著

2、鄭永學編著 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 19881988年年1010月第月第1 1版版5. 5. 巖體力學，王文星編著巖體力學，王文星編著 中南大學出版社中南大學出版社 20042004年年1010月第月第1 1版版6. 6. 巖石力學與工程巖石力學與工程 蔡美峰主編蔡美峰主編 科學出版社科學出版社 20042004年年8 8月第月第1 1版版7. 7. 巖體力學巖體力學 沈明榮主編沈明榮主編 同濟大學出版社同濟大學出版社 19991999年年3 3月第月第1 1版版8. 8. 礦山巖體力學礦山巖體力學 高磊等編著高磊等編著 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 19791979年年7 7 月第月第

3、1 1版版9. 9. 礦山巖石力學礦山巖石力學 華安增編著華安增編著 煤炭工業(yè)出版社煤炭工業(yè)出版社 19801980年年5 5月第月第1 1版版 教材及參考書教材及參考書 總總 學學 時：時： 38 學時學時 其其 中：中： 理論學時：理論學時： 32 學時學時 實驗學時：實驗學時： 6 學時學時 授課計劃授課計劃第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 巖石的物理力學性質巖石的物理力學性質第三章第三章 結構面的力學性質結構面的力學性質第第四四章章 巖體力學性質及其分類巖體力學性質及其分類第五章第五章 原巖應力及測量原巖應力及測量 第六章第六章 巷道圍巖應力分布及穩(wěn)定性分析巷道圍巖應力分布及穩(wěn)定性分

4、析 第七章第七章 井巷地壓井巷地壓第八章第八章 井巷維護原則與錨噴支護井巷維護原則與錨噴支護 授授 課課 內內 容容 第一章 緒 論本章內容：本章內容：一、一、 巖石和巖體巖石和巖體二、二、 巖體的特征巖體的特征三、三、 巖體力學的研究內容和研究方法巖體力學的研究內容和研究方法四、四、 巖體力學的產生及其發(fā)展巖體力學的產生及其發(fā)展五、五、 采礦工程中巖體力學的特點采礦工程中巖體力學的特點六、六、 巖體力學與其他學科的關系巖體力學與其他學科的關系 第一章 緒 論授課學時：授課學時：1 1學時學時本章的重點：本章的重點：1 1、巖石與巖體的界定；、巖石與巖體的界定；2 2、巖體力學的研究任務與內容

5、，巖體力學的研究方法。、巖體力學的研究任務與內容，巖體力學的研究方法。關鍵術語：巖石；巖體；巖體工程；穩(wěn)定性關鍵術語：巖石；巖體；巖體工程；穩(wěn)定性要求：要求：1 1、必須掌握本課程重點內容；、必須掌握本課程重點內容；2 2、了解巖體力學的發(fā)展簡史以及巖體力學在其他學科中、了解巖體力學的發(fā)展簡史以及巖體力學在其他學科中的地位。的地位。一、巖石和巖體 巖石巖石是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分和一定的結構、構造特征的地殼的組成材料或物質。是和一定的結構、構造特征的地殼的組成材料或物質。是各種裂隙切割而成的巖塊，又稱各種裂隙切割而成的巖塊，又稱結構體結構

6、體。 巖體巖體是個地質體，它包括巖石和各種地質構造形跡，是個地質體，它包括巖石和各種地質構造形跡，如節(jié)理、裂隙、褶皺等結構面。巖體就是巖石和這些結如節(jié)理、裂隙、褶皺等結構面。巖體就是巖石和這些結構面的統(tǒng)一體。構面的統(tǒng)一體。 巖石和巖體是既有區(qū)別又互相聯(lián)系的兩個概念。巖巖石和巖體是既有區(qū)別又互相聯(lián)系的兩個概念。巖石是巖體的組成物質，巖體是巖石和結構面的統(tǒng)一體。石是巖體的組成物質，巖體是巖石和結構面的統(tǒng)一體。二、巖體的特征1 1、巖體是非均質各向異性的材料。巖體是非均質各向異性的材料。2 2、巖體內存在著原始應力場。、巖體內存在著原始應力場。 主要包括重力和地質構造力，重力場是以鉛垂應力為主要包括

7、重力和地質構造力，重力場是以鉛垂應力為主，構造應力場通常是以水平應力為主。主，構造應力場通常是以水平應力為主。 3 3、巖體內存在著一個裂隙系統(tǒng)。、巖體內存在著一個裂隙系統(tǒng)。 巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一體一體, ,可稱之為裂隙介質或準連續(xù)介質。當巖體應力超過可稱之為裂隙介質或準連續(xù)介質。當巖體應力超過其強度時，就會使原有斷裂進一步擴展，形成新的斷裂。其強度時，就會使原有斷裂進一步擴展，形成新的斷裂。而舊斷裂的擴展與新斷裂的形成，又均會導致巖體內的應而舊斷裂的擴展與新斷裂的形成，又均會導致巖體內的應力重新分布。力重新分布。 巖體

8、既不是理想的彈性體，也不是典型的塑巖體既不是理想的彈性體，也不是典型的塑性體，既不是連續(xù)介質，又不是松散介質，而是性體，既不是連續(xù)介質，又不是松散介質，而是一種特殊的復雜的地質體，這就造成了研究它的一種特殊的復雜的地質體，這就造成了研究它的困難性和復雜性。因此，只用一般的固體力學理困難性和復雜性。因此，只用一般的固體力學理論尚不能完善解決巖體工程中的所論尚不能完善解決巖體工程中的所有有問題問題。二、巖體的特征三、巖體力學的研究內容與研究方法 巖體力學研究的主要對象是巖體，研巖體力學研究的主要對象是巖體，研究巖體在力場作用下，所發(fā)生的究巖體在力場作用下，所發(fā)生的變形、破變形、破壞和移動壞和移動規(guī)

9、律的理論及其實際應用的科學，規(guī)律的理論及其實際應用的科學，是一門應用型基礎學科。是一門應用型基礎學科。1、巖體力學研究的內容： 巖體的地質特征巖體的地質特征 巖塊、結構面的力學性質巖塊、結構面的力學性質 巖體的力學性質巖體的力學性質 巖體中天然應力巖體中天然應力 巖體中重分布應力巖體中重分布應力 地下硐室圍巖穩(wěn)定性計算與評價地下硐室圍巖穩(wěn)定性計算與評價 工程處理與加固工程處理與加固2、巖體力學的研究方法、巖體力學的研究方法工程地質研究法工程地質研究法 研究巖塊和巖體的地質與結構特征，研究巖塊和巖體的地質與結構特征，為巖體力學的進一步研究提供地質模型和地質資料。為巖體力學的進一步研究提供地質模型

10、和地質資料。 試驗法試驗法 為巖體變形和穩(wěn)定性分析計算提供必要的物理為巖體變形和穩(wěn)定性分析計算提供必要的物理力學參數(shù)。力學參數(shù)。 數(shù)學力學分析法數(shù)學力學分析法 通過建立巖體力學模型和利用適當?shù)耐ㄟ^建立巖體力學模型和利用適當?shù)姆治龇椒?，預測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性，分析方法，預測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性，為設計和施工提供定量依據為設計和施工提供定量依據 。綜合分析法綜合分析法 采用多種方法考慮各種因素采用多種方法考慮各種因素( (包括工程的、包括工程的、地質的及施工的等地質的及施工的等) )進行綜合分析和綜合評價，得出符進行綜合分析和綜合評價，得出符合實際情況的正確結論。合實

11、際情況的正確結論。四、巖體力學的產生及其發(fā)展 巖體力學是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖石工巖體力學是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖石工程的建設和數(shù)學力學等學科的進步而逐步發(fā)展形成的一門程的建設和數(shù)學力學等學科的進步而逐步發(fā)展形成的一門新興學科和邊緣學科，是一門應用性和實踐性很強的應用新興學科和邊緣學科，是一門應用性和實踐性很強的應用基礎學科。它的應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、基礎學科。它的應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質、地震、石油、地下工程、海洋工程等鐵道、公路、地質、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關的工程領域。一方面，巖體力學是眾多的與

12、巖石工程相關的工程領域。一方面，巖體力學是上述工程領域的理論基礎；另一方面，正是上述工程領域上述工程領域的理論基礎；另一方面，正是上述工程領域的實踐促使了巖體力學的誕生和發(fā)展。的實踐促使了巖體力學的誕生和發(fā)展。 巖體力學按其發(fā)展進程可劃分四個階段：巖體力學按其發(fā)展進程可劃分四個階段：（1 1） 初始階段初始階段(19(19世紀末世紀末-20-20世紀初世紀初) ) 巖體力學最早起源于采礦工程，在這個階段，巖體力學最早起源于采礦工程，在這個階段，開采規(guī)模小，采深近于地表，開采空間不大，巖開采規(guī)模小，采深近于地表，開采空間不大，巖石力學的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所石力學的問題主要是巷道頂板

13、冒落和地下開采所引起的地表移動。引起的地表移動。 在該階段，巖石力學處于萌芽時期，產生了在該階段，巖石力學處于萌芽時期，產生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。例如，初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。例如，19121912年海姆年海姆(A(AHeim)Heim)提出了靜水壓力的理提出了靜水壓力的理論他認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。論他認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。（2 2）經驗理論階段（）經驗理論階段（2020世紀初世紀初2020世紀世紀3030年代）年代） 該階段為巖石力學發(fā)展的第二階段。在這個該階段為巖石力學發(fā)展的第二階段。在這個階段出現(xiàn)力根據生產經驗提出的階段出現(xiàn)力根據生

14、產經驗提出的地壓理論地壓理論，并開，并開始用材料力學和結構力學的方法分析地下工程的始用材料力學和結構力學的方法分析地下工程的支護問題。松散介質學派（例如普氏理論）占主支護問題。松散介質學派（例如普氏理論）占主導地位，他們借助土力學理論解決巖石力學問題，導地位，他們借助土力學理論解決巖石力學問題，提出巷道地壓計算原理和采場地壓假說。提出巷道地壓計算原理和采場地壓假說。 在此階段更加深入地研究巖石的破壞機理。在此階段更加深入地研究巖石的破壞機理。（3 3）經典理論階段（）經典理論階段（2020世紀世紀3030年代年代6060年代）年代） 該階段是該階段是巖石力學學科形成的重要階段巖石力學學科形成的

15、重要階段，巖，巖石力學以彈塑性理論為基礎，將巖體視為彈塑性石力學以彈塑性理論為基礎，將巖體視為彈塑性介質，應用彈塑性力學方法來研究巖體的應力、介質，應用彈塑性力學方法來研究巖體的應力、應變和位移，確定了一些經典計算公式，形成圍應變和位移，確定了一些經典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論。結構面對巖體力學性巖和支護共同作用的理論。結構面對巖體力學性質的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎上引入質的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎上引入流變理論，將某些巖體視為帶粘性的介質，考慮流變理論，將某些巖體視為帶粘性的介質，考慮時間因素對巖體應力、應變和位移的影響。時間因素對巖體應力、應變和位移的影響。（4

16、 4）現(xiàn)代發(fā)展階段（）現(xiàn)代發(fā)展階段（2020世紀世紀6060年代現(xiàn)在）年代現(xiàn)在） 用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖體力學問題，用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖體力學問題，把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術等最新成果引入了巖體力學。而計算機的發(fā)展使用有限元、等最新成果引入了巖體力學。而計算機的發(fā)展使用有限元、邊界元、離散元等解算巖體力學問題得以實現(xiàn)。邊界元、離散元等解算巖體力學問題得以實現(xiàn)。 2020世紀世紀7070年代以后巖石力學發(fā)展比較迅速，巖體力學測年代以后巖石力學發(fā)展比較迅速，巖體力學測試技術不斷完善，應力

17、解除法可測試深部巖體應力。剛性壓試技術不斷完善，應力解除法可測試深部巖體應力。剛性壓力機的出現(xiàn)，可測試應力應變全過程曲線，從而更深刻的力機的出現(xiàn)，可測試應力應變全過程曲線，從而更深刻的揭示了巖石的力學特性。揭示了巖石的力學特性。 巖體力學已逐漸形成完整的科學體系作為力學的一個分巖體力學已逐漸形成完整的科學體系作為力學的一個分枝，成為一門獨立的力學學科，服務于巖體工程。枝，成為一門獨立的力學學科，服務于巖體工程。n19511951年，在奧地利創(chuàng)建了地質力學研究組，并形成年，在奧地利創(chuàng)建了地質力學研究組，并形成了獨具一格的奧地利學派。了獨具一格的奧地利學派。n同年，國際大壩會議設立了巖石力學分會。

18、同年，國際大壩會議設立了巖石力學分會。n19561956年，美國召開了第一次巖石力學討論會。年，美國召開了第一次巖石力學討論會。n19571957年，第一本年，第一本巖石力學巖石力學專著出版。專著出版。n19591959年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學工作年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學工作者的關注和研究。者的關注和研究。n19621962年，成立國際巖石力學學會年，成立國際巖石力學學會(ISRM)(ISRM)。n19661966年，第一屆國際巖石力學大會在葡萄牙的里斯年，第一屆國際巖石力學大會在葡萄牙的里斯本召開。本召開。巖體力學形成歷史巖體力學形成歷史巖體力學發(fā)展動態(tài)巖體力學發(fā)展動

19、態(tài)巖體結構與結構面的仿真模擬、力學表述及其力學巖體結構與結構面的仿真模擬、力學表述及其力學 機理問題機理問題裂隙化巖體的強度、破壞機理及破壞判據問題裂隙化巖體的強度、破壞機理及破壞判據問題巖體與工程結構的相互作用與穩(wěn)定性評價問題巖體與工程結構的相互作用與穩(wěn)定性評價問題軟巖的力學特性及其巖體力學問題軟巖的力學特性及其巖體力學問題水水- -巖巖- -應力耦合作用及巖體工程穩(wěn)定性問題應力耦合作用及巖體工程穩(wěn)定性問題高地應力巖體力學問題高地應力巖體力學問題巖體結構整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術巖體結構整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術巖體動力學、水力學與熱力學問題巖體動力學、水力學與熱力學問題巖體流變與長

20、期強度問題巖體流變與長期強度問題巖體工程計算機輔助設計與圖像自動生成處理。巖體工程計算機輔助設計與圖像自動生成處理。 1 1、采礦工程結構多處于地下較深處，而其它地下工程多、采礦工程結構多處于地下較深處，而其它地下工程多在距地表較近（幾十米）的范圍內；在距地表較近（幾十米）的范圍內； 2 2、對礦山構筑物，只要求在開采期間不破壞，在采后能維、對礦山構筑物，只要求在開采期間不破壞，在采后能維持平衡狀態(tài)不影響地表安全即可。因此，其計算精度、安全持平衡狀態(tài)不影響地表安全即可。因此，其計算精度、安全系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準；系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準； 3 3、礦山地

21、質條件復雜，又受礦床賦存條件的限制，因此，、礦山地質條件復雜，又受礦床賦存條件的限制，因此，采礦工程結構物的位置選擇性不大，同時，采掘工作面不斷采礦工程結構物的位置選擇性不大，同時，采掘工作面不斷變化，因而，采礦工程巖石力學具有復雜性的特點。變化，因而，采礦工程巖石力學具有復雜性的特點。五、采礦工程中巖體力學的特點1 1、巖體力學與材料力學、彈塑性力學和流變力學等有著縱、巖體力學與材料力學、彈塑性力學和流變力學等有著縱向聯(lián)系。人們運用這些理論使巖體力學得到發(fā)展。向聯(lián)系。人們運用這些理論使巖體力學得到發(fā)展。2 2、巖體工程的圍巖賦存在一定的地質環(huán)境之中。因此，巖、巖體工程的圍巖賦存在一定的地質環(huán)境之中。因此，巖體力學與