礦山巖石力學第一章序論

礦山巖石力學第一章序論第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1.礦山巖體力學（主要教材）高延法，張慶松主編.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，20002.礦山巖石力學（主要教材、作業(yè)）李通林等編著重慶大學出版社1991年1月第1版3.巖石力學基礎(chǔ)耶格、庫克高教出版社4.礦山巖體力學鄭永學編著冶金工業(yè)出版社1988年10月第1版5.巖體力學，王文星編著中南大學出版社2004年10月第1版6.巖石力學與工程蔡美峰主編科學出版社2004年8月第1版7.巖體力學沈明榮主編同濟大學出版社1999年3月第1版8.礦山巖體力學高磊等編著冶金工業(yè)出版社1979年7月第1版9.礦山巖石力學華安增編著煤炭工業(yè)出版社1980年5月第1版教材及參考書第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二總學時：38學時其中：理論學時：32學時實驗學時：6學時

授課計劃第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論第二章巖石的物理力學性質(zhì)第三章結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)第四章

巖體力學性質(zhì)及其分類第五章原巖應力及測量第六章巷道圍巖應力分布及穩(wěn)定性分析第七章井巷地壓第八章井巷維護原則與錨噴支護授課內(nèi)容第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論本章內(nèi)容：一、巖石和巖體二、巖體的特征三、巖體力學的研究內(nèi)容和研究方法四、巖體力學的產(chǎn)生及其發(fā)展五、采礦工程中巖體力學的特點六、巖體力學與其他學科的關(guān)系第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二第一章緒論授課學時：1學時本章的重點：1、巖石與巖體的界定；2、巖體力學的研究任務(wù)與內(nèi)容，巖體力學的研究方法。關(guān)鍵術(shù)語：巖石；巖體；巖體工程；穩(wěn)定性要求：1、必須掌握本課程重點內(nèi)容；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的地位。第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二一、巖石和巖體

巖石是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分和一定的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征的地殼的組成材料或物質(zhì)。是各種裂隙切割而成的巖塊，又稱結(jié)構(gòu)體。

巖體是個地質(zhì)體，它包括巖石和各種地質(zhì)構(gòu)造形跡，如節(jié)理、裂隙、褶皺等結(jié)構(gòu)面。巖體就是巖石和這些結(jié)構(gòu)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。巖石是巖體的組成物質(zhì)，巖體是巖石和結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二二、巖體的特征1、巖體是非均質(zhì)各向異性的材料。2、巖體內(nèi)存在著原始應力場。主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場是以鉛垂應力為主，構(gòu)造應力場通常是以水平應力為主。3、巖體內(nèi)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)一體,可稱之為裂隙介質(zhì)或準連續(xù)介質(zhì)。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。而舊斷裂的擴展與新斷裂的形成，又均會導致巖體內(nèi)的應力重新分布。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二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(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊的復雜的地質(zhì)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論尚不能完善解決巖體工程中的所有問題。二、巖體的特征第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二三、巖體力學的研究內(nèi)容與研究方法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)生的變形、破壞和移動規(guī)律的理論及其實際應用的科學，是一門應用型基礎(chǔ)學科。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、巖體力學研究的內(nèi)容：巖體的地質(zhì)特征巖塊、結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)巖體的力學性質(zhì)巖體中天然應力巖體中重分布應力地下硐室圍巖穩(wěn)定性計算與評價工程處理與加固第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二2、巖體力學的研究方法工程地質(zhì)研究法研究巖塊和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，為巖體力學的進一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料。試驗法為巖體變形和穩(wěn)定性分析計算提供必要的物理力學參數(shù)。數(shù)學力學分析法通過建立巖體力學模型和利用適當?shù)姆治龇椒ǎA測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性，為設(shè)計和施工提供定量依據(jù)。綜合分析法采用多種方法考慮各種因素(包括工程的、地質(zhì)的及施工的等)進行綜合分析和綜合評價，得出符合實際情況的正確結(jié)論。第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二四、巖體力學的產(chǎn)生及其發(fā)展

巖體力學是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖石工程的建設(shè)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基礎(chǔ)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(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖體力學是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域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：第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（1）初始階段(19世紀末--20世紀初)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，巖石力學的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表移動。在該階段，巖石力學處于萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。例如，1912年海姆(A．Heim)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)。第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（2）經(jīng)驗理論階段（20世紀初～20世紀30年代）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(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出的地壓理論，并開始用材料力學和結(jié)構(gòu)力學的方法分析地下工程的支護問題。松散介質(zhì)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，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。第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（3）經(jīng)典理論階段（20世紀30年代～60年代）該階段是巖石力學學科形成的重要階段，巖石力學以彈塑性理論為基礎(chǔ)，將巖體視為彈塑性介質(zhì)，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(jīng)典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論。結(jié)構(gòu)面對巖體力學性質(zhì)的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎(chǔ)上引入流變理論，將某些巖體視為帶粘性的介質(zhì)，考慮時間因素對巖體應力、應變和位移的影響。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二（4）現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀60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，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(shù)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)。20世紀70年代以后巖石力學發(fā)展比較迅速，巖體力學測試技術(shù)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?nèi)^程曲線，從而更深刻的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枝，成為一門獨立的力學學科，服務(wù)于巖體工程。第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1951年，在奧地利創(chuàng)建了地質(zhì)力學研究組，并形成了獨具一格的奧地利學派。同年，國際大壩會議設(shè)立了巖石力學分會。1956年，美國召開了第一次巖石力學討論會。1957年，第一本《巖石力學》專著出版。1959年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學工作者的關(guān)注和研究。1962年，成立國際巖石力學學會(ISRM)。1966年，第一屆國際巖石力學大會在葡萄牙的里斯本召開。巖體力學形成歷史第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二巖體力學發(fā)展動態(tài)巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面的仿真模擬、力學表述及其力學機理問題裂隙化巖體的強度、破壞機理及破壞判據(jù)問題巖體與工程結(jié)構(gòu)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水-巖-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巖體結(jié)構(gòu)整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術(shù)巖體動力學、水力學與熱力學問題巖體流變與長期強度問題巖體工程計算機輔助設(shè)計與圖像自動生成處理。第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、采礦工程結(jié)構(gòu)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(nèi)；2、對礦山構(gòu)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、安全系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準；3、礦山地質(zhì)條件復雜，又受礦床賦存條件的限制，因此，采礦工程結(jié)構(gòu)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。五、采礦工程中巖體力學的特點第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二1、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。2、巖體工程的圍巖賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境之中。因此，巖體力學與工程地質(zhì)學、構(gòu)造地質(zhì)學和地質(zhì)力學有著十分密切的聯(lián)系。3、巖體力學是為解決巖體工程中的力學問題服務(wù)的，這些工程學科包括：采礦和其它地下空間工程、交通工程、水電工程和基礎(chǔ)工程等。因此，巖體力學是各種巖體工程學科的專業(yè)理論基礎(chǔ)。六、巖體力學與其他學科的關(guān)系第21頁，共22頁，2023年，2月20日，星期二巖體力學的分支學科工程巖體力學——為各類建筑工程及采礦工程等服務(wù)的巖體力學，重點是研究工程活