巖石力學(xué)概要

1、巖石力學(xué)概要二一年五月1第一章 緒論 巖石力學(xué)的定義 巖石力學(xué)的內(nèi)容 巖石力學(xué)的發(fā)展歷史 巖石力學(xué)發(fā)展過程中的重大事件 巖石力學(xué)的主要成就 巖石力學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)存的主要問題 煤礦中的巖石力學(xué)問題 煤礦中的巖石力學(xué)難題第二章 巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 巖石的物理性質(zhì) 巖石的力學(xué)性質(zhì)第三章 巖體強(qiáng)度理論 巖石的破壞機(jī)理 庫侖-莫爾強(qiáng)度理論 格里菲斯強(qiáng)度理論第四章 巖體中的應(yīng)力 原巖應(yīng)力場 二次應(yīng)力場第五章 巖體工程穩(wěn)定控制 巖體工程的穩(wěn)定性概念 巖體工程穩(wěn)定性破壞的機(jī)理 巖體工程穩(wěn)定性控制的技術(shù)途徑 巖體工程穩(wěn)定控制的技術(shù)措施第六章 專題舉例 數(shù)值模擬 采場支架選型 錨固支護(hù)方案 目 錄2第 1 章 緒論 一

2、、巖石力學(xué)的定義 二、巖石力學(xué)的內(nèi)容 三、巖石力學(xué)的發(fā)展歷史 四、巖石力學(xué)發(fā)展過程中的重大事件 五、巖石力學(xué)的主要成就 六、巖石力學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)存的主要問題 七、煤礦中的巖石力學(xué)問題 八、煤礦中的巖石力學(xué)難題3一、巖石力學(xué)的定義研究巖石（巖塊、巖體）的力學(xué)行為效應(yīng)，或研究巖石的變形破壞規(guī)律的科學(xué)。涉及采礦、土木、水利、交通等巖石工程領(lǐng)域。學(xué)科歸屬：屬于力學(xué)的新興分支學(xué)科。從其科學(xué)體系、研究對象、服務(wù)領(lǐng)域角度分析，又屬于力學(xué)、地學(xué)和技術(shù)科學(xué)的邊緣、交叉學(xué)科。特點(diǎn)：既具有基礎(chǔ)理論性特征，又具有強(qiáng)烈的工程實(shí)踐性特點(diǎn)4二、巖石力學(xué)的主要內(nèi)容理論巖石力學(xué) 連續(xù)介質(zhì)巖石力學(xué)：變形性質(zhì)、強(qiáng)度理論、應(yīng)力應(yīng)變理論等

3、巖石損傷力學(xué)：裂紋的演化、裂紋的性質(zhì)、裂紋的分布及其對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響等 巖石斷裂力學(xué)：巖石斷裂因子、巖石斷裂破壞過程中的耗散理論 巖石塊體力學(xué)：塊體（無限塊體、有限塊體、可動(dòng)塊體、關(guān)鍵塊體） 分形巖石力學(xué)：自相似性、分形維數(shù)、無標(biāo)度區(qū)間實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué) 室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)：物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、變形性質(zhì)、流變性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)：相似理論、物理模型制作、測試技術(shù) 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)：原位力學(xué)屬性測試、應(yīng)力場測試、構(gòu)造測試 5計(jì)算巖石力學(xué) 有限單元法、邊界單元法、離散單元法、有限差分法工程巖石力學(xué) 巖基工程：特殊形式分布載荷作用下的變形、強(qiáng)度理論、監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用 巖石邊坡工程：邊坡穩(wěn)定

4、性控制技術(shù)及理論（對不利于穩(wěn)定性的現(xiàn)象，如變形、破壞等的過程及程度施加影響，使其限制在允許的范圍） 地下工程：空間幾何特征與圍巖結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)行為特征、施工與支護(hù)技術(shù)及理論（井工開采屬于大型復(fù)雜地下巖體工程）6三、 巖石力學(xué)的發(fā)展歷程初始階段：19世紀(jì)末-20世紀(jì)初發(fā)展了初步理論，以解決巖體開挖的計(jì)算問題。如關(guān)于原巖應(yīng)力計(jì)算的海姆假說（靜水壓力理論）、郎金和金尼克假說等。經(jīng)驗(yàn)理論階段：20世紀(jì)初-20世紀(jì)30年代根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了地壓計(jì)算理論，如自然平衡共學(xué)說、太沙基地壓理論等。經(jīng)典理論階段： 20世紀(jì)30年代-20世紀(jì)60年代基本形成了獨(dú)立的學(xué)科。主要有“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”兩大

5、學(xué)派?，F(xiàn)代發(fā)展階段： 20世紀(jì)60年代至今巖石結(jié)構(gòu)及賦存狀態(tài)具有復(fù)雜性和多變性，故巖體工程是復(fù)雜的“人-地”系統(tǒng)。巖石力學(xué)研究的目的是認(rèn)識(shí)和控制巖石系統(tǒng)的力學(xué)行為和工程功能。7四、 巖石力學(xué)發(fā)展歷史事件1951年,在奧地利的沙茨堡組織了第一個(gè)國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì),并形成獨(dú)具一格的奧地利學(xué)派,基本觀點(diǎn)是: 巖體的力學(xué)作用主要決定于巖體內(nèi)不連續(xù)面及其對巖體的切割特點(diǎn);1951年國際大壩會(huì)議設(shè)立巖石力學(xué)分會(huì)。1956年，美國召開第一次巖石力學(xué)討論會(huì)81959年，法國馬爾帕塞壩因左壩肩巖體沿弱面滑動(dòng)，造成潰壩事件, 400余人喪生；1962年，在奧地利的沙茨堡召開了第十三屆國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)，成立了國際巖石

6、力學(xué)學(xué)會(huì)1963年，意大利瓦楊壩左岸山體滑動(dòng)，激起100多米高的涌浪，漫過壩頂，死亡2000余人。9101112131966年，在意大利的里斯本召開了第 1 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了8個(gè)專題：（1）巖體的勘察；（2） 巖石和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究；（3）巖石和巖體的性能；（4）巖體中的殘余應(yīng)力；（5）巖石破碎；（6）天然和人工邊坡；（7）地下開挖和深鉆；（8）建筑物地基巖體性質(zhì)141970年，在南斯拉夫的貝爾格萊德召開了第2屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，組織了8個(gè)專題討論：（1）巖體基本性質(zhì)；（2）巖石變形特性；（3）巖體的力學(xué)強(qiáng)度；（4）地下工程；（5）巖石破碎的物理力學(xué)基礎(chǔ)；（6）巖體性質(zhì)改良；（

7、7）天然邊坡和人工邊坡穩(wěn)定性；（8）巖體作為建筑物地基的性能。151974年，在美國的丹佛召開了第3 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了5個(gè)專題：（1） 完整巖石和巖體的物理性質(zhì)；（占論文的30%）（2）構(gòu)造物理學(xué)問題；（3）地表工程問題（4）地下工程開挖問題；（5）巖石破碎技術(shù)問題。 特別突出地對碎裂巖體基本力學(xué)性質(zhì)的重視。161979年，在瑞士召開了第 4 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了4個(gè)專題（1） 巖石和巖體的流變性能；（2）試驗(yàn)和監(jiān)測資料在巖石工程設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用；（3）關(guān)于應(yīng)用現(xiàn)代施工方法進(jìn)行地下建筑的設(shè)計(jì)問題；（4）地下開挖引起的地面變形。流變、原位觀測及電算模擬受到廣泛的重視。17198

8、3年，在澳大利亞的墨爾本召開了第5 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，大會(huì)主題是（1）現(xiàn)場勘測及評價(jià)方法；（2）地表及近地表工程；（3）深部地下工程；（4）巖石動(dòng)力學(xué)；（5）巖石力學(xué)專門問題。181987年，在加拿大的蒙特利爾召開了第 6 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，34個(gè)國家參加會(huì)議，論文253篇。討論了4個(gè)專題：（1）巖體中液體流動(dòng)和廢物隔離；（2） 巖石基礎(chǔ)和邊坡；（3）巖石爆破和開挖；（4）高應(yīng)力區(qū)的地下巷道；191991年，在西德的亞琛召開了第7 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了8個(gè)專題：（1）巖石力學(xué)與環(huán)境保護(hù)；（2） 建立在可靠描述地質(zhì)條件基礎(chǔ)上的巖石力學(xué)；（3）巖石邊坡的穩(wěn)定性；（4）巖石中的地下施工。2

9、01995年，在日本的東京召開了第 8 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了6個(gè)專題：（1）地質(zhì)現(xiàn)場勘測及試驗(yàn)；（2） 巖石的物理性質(zhì)及模擬；（3）近地表開挖、邊坡及地表的穩(wěn)定性；（4）地下峒室的開挖及穩(wěn)定性 ；（5）巖體中熱、水流動(dòng)及化學(xué)傳輸；（6）與巖石力學(xué)有關(guān)的信息系統(tǒng)和新技術(shù)。211999年，在法國的巴黎召開了第9 屆國際巖石力學(xué)會(huì)議，討論了4個(gè)專題：（1）應(yīng)用巖石力學(xué)、環(huán)境安全與控制；（2） 巖石和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究；（3）巖石動(dòng)力學(xué)與構(gòu)造物理學(xué)；（4）監(jiān)測、原位測試。22國內(nèi)巖石力學(xué)發(fā)展1958年,為籌建三峽大壩,成立了長江三峽巖基組,陳宗基任組長. 研制了長江500型三軸試驗(yàn)機(jī)；197

10、8年成立國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)中國國家小組；1981年成立中國巖石力學(xué)學(xué)會(huì)籌備組1985年，成立中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì),陳宗基任第一屆理事長,并在北京召開第一次學(xué)術(shù)大會(huì)2008年3月，山西省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)成立相關(guān)學(xué)術(shù)組織還有：全國煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)與支護(hù)專業(yè)委員會(huì)、開采專業(yè)委員會(huì)、山西省煤炭學(xué)會(huì)等23五、 巖體力學(xué)的成就 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備的不斷進(jìn)步（剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)、三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)、伺服控制實(shí)驗(yàn)機(jī)） 巖體工程勘察技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展和完善（千米鉆機(jī)、定向鉆機(jī)、鉆孔電視、巖石CT機(jī)、物探設(shè)備及方法） 巖體工程穩(wěn)定性檢測及評價(jià)體系的逐步完善 巖體工程穩(wěn)定性控制理論技術(shù)的發(fā)展（支護(hù)-圍巖共同作用原理、錨固支護(hù)理

11、論技術(shù)、整體液壓支架） 巖體工程施工工藝及設(shè)備（控制爆破、綜合機(jī)械化掘進(jìn)、掘錨一體機(jī)、盾構(gòu)法隧道施工）大型巖體工程的成功建設(shè)：300米高巖石大壩（三峽大壩180米，非最高但最大）50 -100米高度及跨度的地下巖體工程垂直高度1000米以上的露天礦邊坡（新西蘭，我國太鋼峨口鐵礦720米）地下黃金礦開采深度達(dá)4000米以上（南非，我國1000多米）海底隧道：英吉利海峽隧道50公里、日本青函跨海隧道53.85公里（擬建的有：穿越白令海峽的美俄海峽隧道90公里、穿越直布羅陀海峽的歐非海底隧道60公里、穿越東對馬海峽和席對馬海峽的日韓海底隧道250公里）海下采煤工程計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)工程等新理論、新技術(shù)在巖

12、石力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是數(shù)值模擬分析方法的廣泛應(yīng)用24六、巖石力學(xué)領(lǐng)域尚存的主要問題巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備有待繼續(xù)進(jìn)步巖體工程勘察技術(shù)及設(shè)備需要繼續(xù)發(fā)展和完善巖體工程穩(wěn)定性檢測及評價(jià)體系還應(yīng)逐步完善巖體工程穩(wěn)定性控制理論技術(shù)還不完善巖體工程施工工藝及設(shè)備的繼續(xù)改進(jìn)大型巖體工程的建設(shè)工藝、穩(wěn)定性控制及保障技術(shù)體系的建立地震預(yù)測預(yù)報(bào)及防治煤礦巖石力學(xué)理論技術(shù)體系的建立和完善25七、 煤礦中的巖石力學(xué)問題 井巷工程施工與支護(hù)井筒、巷道、硐室 采場圍巖控制頂板管理、煤壁控制、底板控制、采空區(qū)處理 巖層移動(dòng)與地表變形的監(jiān)測與控制采場上覆巖層移動(dòng)破壞以及地面變形破壞規(guī)律的掌握與控制 礦井水害防治地表水、老

13、空水、承壓水 礦井煤與瓦斯突出的防治煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度預(yù)測、煤與瓦斯突出的防治機(jī)理與措施 沖擊地壓防治沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理、沖擊地壓傾向性危險(xiǎn)性評價(jià)、沖擊地壓預(yù)測預(yù)報(bào)以及防治的理論技術(shù)措施 礦井火災(zāi)的防治26八、煤礦中的巖石力學(xué)難題1. 井巷施工與支護(hù)理論和技術(shù)深井施工（4000m）深厚表土層井筒施工（700m）穿越采空區(qū)井筒的施工與穩(wěn)定性控制破碎軟巖巷道施工與支護(hù)大斷面全煤巷道錨固支護(hù)理論及技術(shù)（40m2）272.1 巖石的物理性質(zhì)2.2 單向應(yīng)力下巖石的變形特性2.3 巖石三維應(yīng)力特性及其實(shí)驗(yàn)2.4 巖石的強(qiáng)度理論第 2 章 巖石的物理力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)28(1) 巖石的比重與容重比重:巖石的

14、比重就是巖石試件內(nèi)固體部分實(shí)體積(不包括孔隙體積)的重量與同體積水重量的比重。 =Gd/(vcw)2.1 巖石的物理性質(zhì)容重:巖石的容重是指單位體積（ 包括孔隙體積)巖石的重量。 d =Gd/v sat =Gsat/v =G/v 29(2) 巖石孔隙性定義：孔隙性指巖石中孔隙與裂隙發(fā)育程度，常用空隙度表示?？障抖龋褐笌r石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石總體積之比。n=(1 - d / )*100%空隙比：指巖石中各種孔隙、裂隙體積的總和與巖石內(nèi)固體部分實(shí)體積之比。e=v0/vc30(2) 巖石孔隙性空隙度對巖石性質(zhì)的影響：*空隙度增大，巖石的容重與強(qiáng)度降低；*塑性與滲透性增加。幾種常見巖石的空

15、隙度與空隙比巖石 空隙度 n/% 空隙比 e石灰?guī)r 5-20 0.053-0.01砂巖 3-30 0.031-0.429頁 10-35 0.111-0.53831(3) 吸水性與透水性巖石的吸水性是指遇水不崩解的巖石,在一定的實(shí)驗(yàn)條件下,(規(guī)定的試樣尺寸和試驗(yàn)壓力)吸入水分的能力.自然吸水率:試件在大氣壓力作用下,吸入水分的重量與試件的烘干重量之比;=Gw/Gd*100%強(qiáng)制吸水率:試件在真空或加壓(150個(gè)大氣壓)條件下吸入水分的重量與試件烘干重量之比.=Gwsat/Gd*100%影響因素分析:取決于巖石所含孔隙、裂隙數(shù)量、大小及其張開度，吸水率試驗(yàn)方法和時(shí)間因素。32巖石的透水性: 指巖石

16、被水穿過的性能;影響因素:地下水水頭、應(yīng)力狀態(tài)、裂隙度、孔隙大小及其連通程度。滲透系數(shù):衡量巖石透水性的指標(biāo).量綱為 cm/s,m/h(4)水對巖石的作用力學(xué)作用: 靜水壓作用,改變了巖體的受力狀況,使巖體有效應(yīng)力減小,降低了抗剪強(qiáng)度 = (-u)tg + C 動(dòng)水壓作用 表現(xiàn)在沖刷與管涌.物理化學(xué)作用: 軟化、泥化、膨脹、溶蝕作用。軟化系數(shù)： = Raw/Rc33(1) 巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線剛性試驗(yàn)機(jī)發(fā)展歷史：1960s ,Cook發(fā)現(xiàn)并研制了世界上第一臺(tái)熱膨脹式的剛性試驗(yàn)機(jī)，并獲得了第一條大理巖完整的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線。以后，其他研究者又研制了剛性組件的剛性試驗(yàn)機(jī)和伺服控制的剛性試驗(yàn)機(jī)，例

17、如：MTS，INSTRON 我國于1970s末期，阜新礦業(yè)學(xué)院（熱壓頭、剛性組件）、武漢巖土所（復(fù)式加載）研制了簡易剛性試驗(yàn)機(jī)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性34(1) 巖石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線35全程應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分析劃分為四個(gè)變形階段:第 I 階段: 壓密階段,原生孔隙裂隙閉合，變形曲線斜率逐漸增加，聲發(fā)射事件偶然發(fā)生。體積減小。強(qiáng)化占支配地位。（OA段）第 II 階段:線彈性變形階段，變形曲線斜率不變，聲發(fā)射事件微弱，體積減小，強(qiáng)化與弱化均衡。（AB段）第 III 階段:非線性變形（彈塑性變形）階段，變形曲線斜率減小至零，聲發(fā)射事件的頻度與強(qiáng)度增強(qiáng)，體積膨脹，弱化占支配地位。裂隙密集、搭接

18、，形成宏觀裂縫。BC段第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性36第 IV 階段: 軟化階段,CD階段，變形曲線斜率變負(fù)，聲發(fā)射頻度與強(qiáng)度很高。體積繼續(xù)增大，弱化占支配地位，變形至殘余強(qiáng)度階段。體積膨脹：壓應(yīng)力作用下，體積增加的現(xiàn)象，本質(zhì)是剪脹。巖石是一種條件物理不穩(wěn)定性材料，這是與金屬材料本質(zhì)的區(qū)別，它決定了巖體失穩(wěn)破壞形式，巖爆，突出，地震等第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性372) 巖石的抗拉強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)直接拉伸 方法:需特制一金屬帽套,將試件粘接在帽套上,在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)難做,少用. 計(jì)算公式 St=P

19、a/A間接拉伸(劈裂法,Brazil法) 方法:沿圓餅狀試件(高徑比0.5)徑向加載,使之劈裂,以求得抗拉強(qiáng)度,廣泛采用. 第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性38393) 巖石的抗剪強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)直接剪切(單面和雙面)第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性403) 巖石的抗剪強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)變角剪切第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.2 巖石的單向應(yīng)力變形特性41(1) 巖石三維試驗(yàn)的動(dòng)態(tài) 意義：任何巖體工程，例如地下洞庫，壩基，巖質(zhì)邊坡，鐵路，公路隧道，地下井巷等，都處于雙向或三向受力狀態(tài)。三軸應(yīng)力試驗(yàn)技術(shù)還為研究變形特

20、性和破壞機(jī)制，驗(yàn)證強(qiáng)度假說，等方面的研究，提供了有力的手段。第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.3 巖石三維應(yīng)力特性及實(shí)驗(yàn)42(1) 巖石三維試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.3 巖石三維應(yīng)力特性及實(shí)驗(yàn)43(2) 巖石三維變形特性巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線全過程分析I) 全曲線的性態(tài)與單軸基本相同,同樣有4個(gè)變形階段.II) 彈性模量變化不大;圍壓增加,塑性增加,屈服段變得平緩III) 意義:多軸應(yīng)力下,全曲線的認(rèn)識(shí),是巖石力學(xué)逐步走向獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志,它對支護(hù)與圍巖相互作用有重要意義.44強(qiáng)度理論:研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞原因規(guī)律及強(qiáng)度條件的理論,稱為巖石強(qiáng)度理論.

21、強(qiáng)度條件或準(zhǔn)則分為應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則和應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則:1=f(2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù)) 或 F(1 ,2,3,巖石強(qiáng)度參數(shù))=0應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則:1=f(2, 3,巖石強(qiáng)度參數(shù)) 或 F(1,2, 3,巖石強(qiáng)度參數(shù))=0第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論45(1)庫侖-莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則(Coulomb-Mohrs)基本假設(shè): 巖石的剪切破裂發(fā)生是某一平面剪應(yīng)力超過了巖石的內(nèi)聚力和法向應(yīng)力引起的摩擦力之抵抗.庫侖準(zhǔn)則: = C + n tg 莫爾準(zhǔn)則: = f()第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論 = C + n tg = f()46(1)庫侖-

22、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則(Coulomb,1773-Mohrs,1900)基本假設(shè)的討論: 破壞形式是剪切破壞; 與中間主應(yīng)力無關(guān); 沿一平面剪壞,該平面通過中間主應(yīng)力方向.以主應(yīng)力形式表達(dá)的庫侖-莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論47庫侖-莫爾強(qiáng)度理論的應(yīng)用I)判斷巖石是否發(fā)生破壞, 屈服函數(shù)F=F()0 破壞II) 預(yù)測破壞面的方向 剪切破壞面與最大主應(yīng)力平面夾角為 =45-/2, 與最小主應(yīng)力平面成 =45-/2剪切破裂面是對稱共軛的一對.即X型節(jié)理.III)確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度,抗剪強(qiáng)度及其相互關(guān)系第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5

23、巖石強(qiáng)度理論48第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論49(3)格里菲斯準(zhǔn)則(1921)假設(shè):材料內(nèi)部存在許多隨機(jī)分布的裂縫,裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)破裂。脆性破壞準(zhǔn)則，拉伸破壞破壞準(zhǔn)則方程：當(dāng)1+330時(shí) (1- 3)2/8(1+ 3)=St 當(dāng)1+330時(shí) -3=St格里菲斯強(qiáng)度理論的應(yīng)用I)判斷巖石是否發(fā)生破壞, 屈服函數(shù)F=F()0 破壞II)確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度的相互關(guān)系第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論50(2)Drucker-Prager準(zhǔn)則,1925本質(zhì)上是庫侖-莫爾準(zhǔn)則與Mises準(zhǔn)則的擴(kuò)展和推廣,它

24、考慮了中間主應(yīng)力的影響和巖石材料在靜水壓力下也能屈服的現(xiàn)象.第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論51格里菲斯準(zhǔn)則示意圖第 2 章 巖石的基本物理力學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)2.5 巖石強(qiáng)度理論523. 煤礦開采地質(zhì)災(zāi)害的防治巖層移動(dòng)與地表變形機(jī)理的掌握至今仍停留在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)階段未能建立不同地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件下的定量分析方法，因此難以進(jìn)行有效的預(yù)測預(yù)報(bào)及防范地表破壞的治理地表破壞主要有：開裂、塌陷、滑坡、土地破壞等類型治理的措施主要有：采空區(qū)充填、離層注漿、土地復(fù)墾、矸石利用、干石山綠化等由于缺乏機(jī)理的掌握，所以尚無滿意的治理措施53地表破壞的主要形式地面裂縫54地表塌陷沉

25、陷55滑坡564. 沖擊地壓預(yù)測與防治沖擊地壓脆性圍巖突發(fā)性破壞時(shí)伴隨的彈性能突然釋放，造成圍巖向巷道空間猛烈拋出沖擊傾向性判別體系不完善缺乏便捷、準(zhǔn)確的沖擊地壓預(yù)測方法5743m巷道58底板破壞59被掀起的輸送設(shè)備60折斷的U型鋼可縮性支架61背摧垮的木棚支架625. 礦井火災(zāi) 煤層自燃是礦井火災(zāi)的主要原因及常見類型，其中，尤其以開采過后的遺留煤的自燃最為常見。 原因在于煤炭回收率低，根源由于礦壓控制存在難題，尤其是急傾斜煤層開采的礦壓控制問題。63巷道控制理論與技術(shù)新觀點(diǎn)1 巷道穩(wěn)定性控制原則2 錨固支護(hù)原理3 頂板離層與巷道穩(wěn)定性641 巷道穩(wěn)定性控制1.1 巷道穩(wěn)定性 不發(fā)生冒頂、片幫

26、等動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象；不發(fā)生導(dǎo)致巷道形狀及有效斷面不能滿足正常需要的過量變形巷道可能達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)可概括為彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)、松動(dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)2種形式：彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)指圍巖處于彈塑性狀態(tài)時(shí)即形成的穩(wěn)定性狀態(tài)；松動(dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)指圍巖進(jìn)入松動(dòng)變形狀態(tài)時(shí)方形成的穩(wěn)定性狀態(tài)。不同類型的巷道在服務(wù)年限內(nèi)將分別處于或先后處于兩種穩(wěn)定狀態(tài)651.2 巷道圍巖支護(hù)作用全過程平衡規(guī)律波動(dòng)性平衡規(guī)律圍巖處于彈塑性階段支護(hù)-圍巖全過程平衡規(guī)律66彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)的支護(hù)應(yīng)遵循物性（變形）狀態(tài)控制（圍巖加固原則），即通過改善圍巖強(qiáng)度性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)防止圍巖發(fā)生強(qiáng)度破壞并因而產(chǎn)生松動(dòng)變形區(qū)或限制已有松動(dòng)區(qū)的擴(kuò)大松動(dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)的支護(hù)應(yīng)遵循變

27、形過程控制原則，即給圍巖變形過程以適當(dāng)約束，促使其在不同的物性狀態(tài)下形成平衡（承載）結(jié)構(gòu)1.3 巷道圍巖控制原則 物性（變形）狀態(tài)控制、變形過程控制672 錨固支護(hù)原理2.1 錨桿作用力演變規(guī)律 三階段演變規(guī)律 錨桿作用力的演變過程包含三個(gè)階段：作用力的產(chǎn)生和增強(qiáng)階段、粘錨力的轉(zhuǎn)移及最大整體錨固力的保持階段、作用力的衰減階段。安裝錨桿后，隨著巷道圍巖應(yīng)力場的變化，被錨巖體將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，變形較小時(shí)，變形值的增加將伴隨著錨桿作用力的增強(qiáng)；變形量處在一定范圍之內(nèi)時(shí)，將伴隨著粘錨力分布的轉(zhuǎn)移及整體錨固力的保持；超出一定范圍后，則變形值的增加將伴隨著錨桿作用力的衰減。 對具有大變形特征的巷道，錨桿錨

28、固長度宜適當(dāng)加長，使錨桿盡可能處于最大錨固力保持階段。 682.2 固結(jié)構(gòu)變形適應(yīng)性 錨桿的變形總量為： L=URi-U0i-Ui 與普通支護(hù)不同，圍巖總位移量URi中僅有部分會(huì)引起錨固體的變形，引起錨桿產(chǎn)生變形的位移量則更小，即錨桿的變形量僅與錨固范圍內(nèi)圍巖的變形量直接相關(guān) U01 U02 UB1 UR1 1 UB2 UR2 2 錨固結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理錨桿692.3 兩幫錨固原理 大厚度錨固墻原理 兩幫巖性與頂、底板巖層相比明顯軟弱時(shí)，巷道圍巖的礦壓特征主要取決于兩幫煤體的變形、破壞等現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展。 1） 應(yīng)力分析 兩幫巖性較頂、底板軟弱，且兩幫與頂、底間的層間粘結(jié)強(qiáng)度較低時(shí)，易發(fā)生兩幫煤體

29、沿層理向巷道空間擠出的現(xiàn)象，并進(jìn)而產(chǎn)生破碎、松動(dòng)等現(xiàn)象。根據(jù)下圖所示應(yīng)力狀態(tài)下的極限平衡分析可得，無支護(hù)時(shí)兩幫中的極限應(yīng)力狀態(tài)為 兩幫極限狀態(tài)分析 ydx y x fydx mx mx+2fydx mx mx+2fydx m mfydx mx mx+2fydx ydx y x m 70 2）變形、破壞分析 隨著應(yīng)力場的進(jìn)一步變化，圍巖將可能出現(xiàn)以下類型的破壞現(xiàn)象：兩幫因?qū)娱g滑動(dòng)力大于摩擦阻力而沿頂、底板發(fā)生滑動(dòng)；兩幫因鉛垂應(yīng)力達(dá)到極限而發(fā)生壓縮破壞；頂、底板因兩幫支撐減弱而發(fā)生彎曲甚至斷裂。 第一種破壞情況出現(xiàn)后若兩幫未發(fā)生強(qiáng)度破壞，則其變形仍處于連續(xù)介質(zhì)的小變形狀態(tài)，故滑動(dòng)量不會(huì)對巷道穩(wěn)定造

30、成嚴(yán)重影響。 第二種破壞現(xiàn)象出現(xiàn)并發(fā)展到較嚴(yán)重的程度后，兩幫中將會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)變形區(qū)，使其對頂板的支撐減弱，從而誘發(fā)第三種破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而可能發(fā)生垮幫、片幫以及頂、底板移近量過大等現(xiàn)象。此時(shí)，兩幫表面部分破壞嚴(yán)重的煤體抗壓強(qiáng)度將完全喪失（因無圍壓而殘余強(qiáng)度為0），形成x=y= 0的0應(yīng)力狀態(tài)，從而使深部煤體失去約束，并產(chǎn)生上述無支護(hù)圓形巷道圍巖的持續(xù)循環(huán)式破壞、失穩(wěn)現(xiàn)象。 71 3）支護(hù)力作用分析 將法向支護(hù)力記為p，易得兩幫處于強(qiáng)度極限時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)為,從公式中可以看出，與無支護(hù)時(shí)的情況相比: 支護(hù)力使法向應(yīng)力提高了： 從而使切向極限應(yīng)力提高了： 可見，支護(hù)力使兩幫的承載能力提高了。 72 在

31、支護(hù)力p的作用下，兩幫發(fā)生強(qiáng)度破壞（內(nèi)聚力變?yōu)?）后的應(yīng)力狀態(tài)為 可見，即使兩幫單軸抗壓強(qiáng)度降為0而進(jìn)入松動(dòng)變形狀態(tài)，在支護(hù)力的作用下仍可承擔(dān)一定載荷，而且承載能力與支護(hù)力以及至兩幫表面的距離成正變關(guān)系。 4）變形分析 根據(jù)支護(hù)力作用下回采巷道兩幫中的應(yīng)力分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，兩幫煤體的變形、破壞演變規(guī)律與均質(zhì)圍巖圓形巷道極為相似，由于在塑性-破裂-破碎-松動(dòng)等狀態(tài)變化過程中，圍巖所表現(xiàn)出的強(qiáng)度值處在一個(gè)不斷減小的過程，函數(shù)形式可根據(jù)具體的圍巖性質(zhì)、支護(hù)條件以及所要求的精確程度等確定為下圖中b、c、d所示的不同簡化形式：b所示為線性遞減形式，c所示為臺(tái)階式衰減形式，d為水平線即常數(shù)型。無支護(hù)時(shí)兩幫

32、松動(dòng)區(qū)煤體的支承能力將完全喪失 73 在支護(hù)力的作用下兩幫松動(dòng)區(qū)的變形情況可按圖示簡化方法進(jìn)行分析：圖中m為兩幫原始高度，UX為虛擬自然堆積狀態(tài)下水平方向的碎脹量，所示為兩幫破碎區(qū)煤體處于完整狀態(tài)時(shí)的形狀及大小，為破碎后虛擬自然堆積狀態(tài)時(shí)的形狀及大小，為在支護(hù)力p的作用下（式3-40所示應(yīng)力狀態(tài)下）虛擬自然堆積狀態(tài)被壓縮后的形狀，即破碎區(qū)的實(shí)際存在狀態(tài)。則圖中Ux即為兩幫表面的位移量、Uy即為煤壁處頂、底板間的相對移近量。 F F F F a. 原形 b. 斜線型 c. 階梯型 d. 水平線型 U U U U煤體塑性特性曲線 UY Ux 兩幫松動(dòng)變形分析圖 UX UXM RpRp74則與支護(hù)力p作用下的極限應(yīng)力狀態(tài)相對應(yīng)的應(yīng)變分布規(guī)律為 各點(diǎn)的水平位移為煤幫各處鉛垂方向的總壓縮量為煤壁表面的水平位移及鉛垂壓縮總量分別為75 式中，Rp為松動(dòng)區(qū)自由堆積狀態(tài)下的寬度。若將自由堆積狀態(tài)下的破碎圍巖的碎脹系數(shù)記為K0，則Ux為 式中，Rp為松動(dòng)區(qū)圍巖處于完整狀態(tài)時(shí)的寬度。由各變形量的幾何關(guān)系可得兩幫表面位移為 頂、底板相對移近量為765