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譚志宏礦山中的力學(xué)問(wèn)題與數(shù)值模擬巖石、巖體、巖體結(jié)構(gòu)及其對(duì)巖石工程的影響巖石、巖體、巖體結(jié)構(gòu)及其對(duì)礦山開(kāi)采的影響巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)定影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素有限單元法在礦山開(kāi)采中的應(yīng)用第一部分巖石、巖體、巖體結(jié)構(gòu)
及其對(duì)巖石工程的影響巖石是人類最早與之打交道的材料之一。人類利用巖石已經(jīng)有久遠(yuǎn)的歷史——舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代。人類進(jìn)行的巖石工程的時(shí)間則要晚得多。進(jìn)入銅器時(shí)代以后,人類就一直在從事礦山開(kāi)采??梢哉f(shuō),沒(méi)有巖石工程,就沒(méi)有人類文明。古埃及金字塔吉薩大金字塔:230萬(wàn)塊石頭組成,每塊重15噸
我國(guó)古代的科學(xué)技術(shù),在世界上長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位(美國(guó)中央情報(bào)局:TheWorldFactbook)。(ForcenturiesChinastoodasaleadingcivilization,outpacingtherestoftheworldintheartsandsciences
)在水利工程和礦山開(kāi)采方面,有春秋時(shí)期修建的四川都江堰,以及湖北銅綠山的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的礦山開(kāi)采遺址。趙州橋和盧溝橋也都是巖石工程的范例。四川都江堰然而,古代的巖石工程都是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的,沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的指導(dǎo)。自近代工業(yè)革命以來(lái),人類所開(kāi)展的工程規(guī)模越來(lái)越大,古代那樣憑經(jīng)驗(yàn)辦事的方式已經(jīng)不能滿足需要了。1960年,國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議在葡萄牙里斯本召開(kāi),巖石力學(xué)作為一門邊緣學(xué)科,正式宣告成立。巖石力學(xué)可包含:地學(xué)中的巖石力學(xué)——地球物理學(xué),研究地球構(gòu)造、地震等。工程中的巖石力學(xué)——涉及礦山、水電、鐵路公路、國(guó)防、能源(核廢料處理等),等等部門。埃及阿斯旺大壩和納賽爾湖
壩高110米,長(zhǎng)3600米,土石壩,4300萬(wàn)m3,裝機(jī)容量210萬(wàn)千瓦,水庫(kù)蓄水量1640億m3(三峽水庫(kù):壩高185米,水位為175米時(shí)蓄水量為393億m3)
。南非一水壩壩址水壩開(kāi)始修建:基坑水壩正在修建正在澆灌
混凝土工地現(xiàn)場(chǎng)工地現(xiàn)場(chǎng)這些水電工程規(guī)模巨大,投資巨大,一旦發(fā)生潰壩或其它災(zāi)害事故,所產(chǎn)生的后果是人類難以承受的。
意大利瓦楊水壩VajontDam壩高262米,底部厚度27米,頂部厚度3.4米1961年,瓦揚(yáng)水壩完工。
1963年,水壩附近山體發(fā)生滑坡。2.6億m3巖石和土滑入水庫(kù),掀起250米高的巨浪。5000萬(wàn)m3水越過(guò)水壩?;麦w滑動(dòng)的最高速度達(dá)到110km/s大水摧毀了下游幾個(gè)村鎮(zhèn),造成2000多人死亡1975年8月7日到8月8日,河南省駐馬店地區(qū)因連降大雨,導(dǎo)致板橋、石漫灘兩座大型水庫(kù)、兩座中型水庫(kù)和數(shù)十座小型水庫(kù)發(fā)生潰壩事故中國(guó)的經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈京廣鐵路被毀102公里,中斷通行18天,直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元。河南省29個(gè)縣市、1700萬(wàn)畝農(nóng)田遭災(zāi),560萬(wàn)間房屋被毀,1100萬(wàn)人遭災(zāi)。死難人數(shù)超過(guò)8萬(wàn)人。工程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)使用公式smax≤[s]
即,工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力s
max,應(yīng)小于或等于材料的許用應(yīng)力[s]
。s
max可由計(jì)算獲得,[s]
則在實(shí)驗(yàn)室獲得材料的強(qiáng)度,強(qiáng)度與安全系數(shù)之比,就是許用應(yīng)力[s]
。例如,梁的s
max可由下式計(jì)算:復(fù)雜的工程,可用有限單元法來(lái)計(jì)算其中的應(yīng)力。第二部分巖石、巖體、巖體結(jié)構(gòu)
及其對(duì)礦山開(kāi)采的影響1960年,南非一個(gè)煤礦發(fā)生煤柱大規(guī)??逄5氖鹿?,400多名礦工死亡。本溪煤礦煤塵爆炸,時(shí)間:1942年4月26日。死亡1527人,傷268人。礦山工程引發(fā)的災(zāi)難,也會(huì)達(dá)到十分嚴(yán)重的程度。由于現(xiàn)代巖石工程投資巨大,不可能采用極大的安全系數(shù),這就需要開(kāi)展巖石力學(xué)的研究,以便確定足夠而又合理的安全系數(shù)。因此,即便是一個(gè)中等的水電工程,在巖石力學(xué)研究方面,通常也需要投入上千萬(wàn)元的資金。大型和特大型的工程就更不用說(shuō)了。例如,作為與三峽工程密切相關(guān)的長(zhǎng)江沿岸鏈子崖危巖的治理,工程治理費(fèi)用上億元?,F(xiàn)代礦山的開(kāi)采規(guī)模以及開(kāi)采深度都越來(lái)越大,地下礦山的開(kāi)采深度,已經(jīng)達(dá)到3600多米,露天礦的開(kāi)采深度,也已接近1000米。在這樣深度的條件下,會(huì)出現(xiàn)許多前所未有的挑戰(zhàn),許多問(wèn)題都需要通過(guò)巖石力學(xué)的研究來(lái)逐步解決。南非WestDeepGoldMine:采深超過(guò)3600米。巖爆巖爆巖爆巖爆早在1970年,就曾經(jīng)有人對(duì)當(dāng)時(shí)世界上最大露天礦做過(guò)計(jì)算。結(jié)論是,邊坡變化1度,廢石剝離所需要增加的費(fèi)用將達(dá)5000萬(wàn)美元。事實(shí)上,對(duì)于一個(gè)開(kāi)采深度為400米、露天周邊總長(zhǎng)度為4000米的露天礦,如果為了增加安全系數(shù),將邊坡坡度增減1度,則增加的剝離量將達(dá)1100萬(wàn)m3,增加的投資將達(dá)上億元。對(duì)于一個(gè)開(kāi)采深度為800米、周界長(zhǎng)度相同的露天礦,則邊坡增減1度所對(duì)應(yīng)的工程量將達(dá)4400萬(wàn)m3。。。。露天邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題大冶鐵礦的一次滑坡,滑下土石方量76萬(wàn)m3。清理、維修臺(tái)階,清除了200萬(wàn)m3,礦山停產(chǎn)半年。攀鋼石灰石礦,1981年6月滑坡,1000萬(wàn)噸。1988年再次滑坡,1550萬(wàn)噸。美國(guó)懷俄明州的一個(gè)高嶺土礦的一次滑坡,滑下的礦巖總量3800萬(wàn)m3,堵塞了河流,形成了一個(gè)60米長(zhǎng)的人工湖,導(dǎo)致礦山報(bào)廢。捷克的一個(gè)黏土礦,因大規(guī)模的滑坡,掩埋了鄰近的一個(gè)村莊,2000多人死亡。東川礦務(wù)局濫泥坪礦,1980年,采空區(qū)頂板發(fā)生大規(guī)??逅?,一臺(tái)停放在坑道內(nèi)100多米的電機(jī)車,被垮塌時(shí)產(chǎn)生的沖擊波推至坑道外數(shù)十米。江西盤古山鎢礦,因大規(guī)模地壓活動(dòng),導(dǎo)致上萬(wàn)米的坑道下沉、垮塌,大量采場(chǎng)坍塌,地面下沉、出現(xiàn)裂縫。地壓活動(dòng)影響最大的一次,光是因巷道和采場(chǎng)垮塌被埋掉的設(shè)備,價(jià)值就達(dá)20萬(wàn)元。兩年后礦山才恢復(fù)了生產(chǎn)。地下礦井地壓?jiǎn)栴}湖南錫礦山銻礦,1965-1970年間先后發(fā)生3次大規(guī)模的地壓活動(dòng)。地壓顯現(xiàn)時(shí),礦柱大量倒塌,地面沉陷(最大值>1m),沉陷范圍達(dá)到10萬(wàn)m2。地面出現(xiàn)裂縫,裂縫最寬2.1m,長(zhǎng)度210m。1號(hào)主井井架偏斜,冶煉廠的煙囪出現(xiàn)彎曲變形。由于地壓活動(dòng)的發(fā)生,礦山資源損失,井下的通風(fēng)、運(yùn)輸、排水系統(tǒng)都遭受嚴(yán)重的破壞。云南錫業(yè)公司馬拉格礦,1958年,因礦區(qū)地面下沉、開(kāi)裂,全礦搬家,耗資200萬(wàn)元。數(shù)十年后,廢棄的房屋仍然完好無(wú)損,沒(méi)有發(fā)生垮塌。如果不是急于搬家,而是開(kāi)展巖石力學(xué)的研究,這筆損失本可避免。云錫公司
松樹(shù)腳礦面對(duì)采空區(qū)頂板大規(guī)模冒落、地表跨山滾石威脅,沒(méi)有盲目搬遷,而是進(jìn)行攻關(guān)研究。根據(jù)研究結(jié)果采取措施降低后,沒(méi)有發(fā)生大的破壞和損失。
CH4
TreeTreeHouseBuilding2FactoryTreeTreeCH4開(kāi)采沉陷突水事故突水事故瓦斯抽采瓦斯事故頂板事故采礦引起的生產(chǎn)和環(huán)境問(wèn)題礦山巖石力學(xué)的特點(diǎn)與其它部門比較,距地表較深,因而產(chǎn)生了特殊問(wèn)題,如深部開(kāi)采的地壓?jiǎn)栴}、巖爆等。礦山地質(zhì)條件復(fù)雜,不能隨意選擇開(kāi)采地點(diǎn)。只需要在開(kāi)采其間保持井巷和采場(chǎng)的穩(wěn)定性、開(kāi)采后不危及地表建筑物即可。因此,在時(shí)間、安全系數(shù)的考慮上都低于其它部門。礦山巖石力學(xué)研究的主要內(nèi)容1.保證在開(kāi)采期間各種井巷和地下硐室的穩(wěn)定性。為此就需要研究巷道周圍巖石中的應(yīng)力分布、變形和破壞規(guī)律,為支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2.開(kāi)采過(guò)程中地壓活動(dòng)規(guī)律及其控制。事實(shí)上,采礦方法就是按照對(duì)地壓管理方法來(lái)劃分的:崩落法:用崩落巖石來(lái)保護(hù)人員的安全;空?qǐng)龇ǎ夯夭善陂g讓采場(chǎng)保持空的狀態(tài);充填法:用人工充填物來(lái)保護(hù)人員安全。包括采場(chǎng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定。3.露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究4.三下(水體下、建筑物下、道路下)開(kāi)采問(wèn)題;5.防止礦山開(kāi)采引起的滑坡、山區(qū)滾石、尾礦壩潰壩等??偨Y(jié):為了對(duì)礦柱、頂?shù)装逡约案魧拥膹?qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,需要巖石的強(qiáng)度和變形參數(shù)。巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及變形參數(shù)(彈性模量和泊松比),是對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第三部分巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)定巖石強(qiáng)度的測(cè)定:
實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)
——抗壓強(qiáng)度測(cè)定抗壓強(qiáng)度測(cè)定破壞后
的試樣破壞后的試樣巖石拉伸試驗(yàn)巖石剪切試驗(yàn)——變角度剪切變角度剪切當(dāng)剪切模具的角度為a的時(shí)候,作用在巖石試樣上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別用下式計(jì)算:式中A為剪切面積巖石三軸壓縮試驗(yàn)由壓縮和拉伸試驗(yàn)結(jié)果,可以獲得巖石的抗壓和抗拉強(qiáng)度。根據(jù)剪切試驗(yàn)結(jié)果,用線性回歸公式,就可以計(jì)算出巖石強(qiáng)度曲線的參數(shù)—內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角f。做試驗(yàn)準(zhǔn)備做壓縮試驗(yàn)的試樣壓縮破壞后的試樣劈裂(巴西)拉伸試驗(yàn)劈裂(巴西)拉伸試驗(yàn):破壞后的試樣測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度的變角度剪切試驗(yàn)在試樣上粘貼電阻應(yīng)變計(jì),準(zhǔn)備進(jìn)行壓縮試驗(yàn),以測(cè)定巖石的彈性模量和泊松比試驗(yàn)結(jié)果如何使用?安全系數(shù)該取多大?奧地利巖石力學(xué)專家Müller的例子:花崗巖,室內(nèi)試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度為250MPa。根據(jù)邊坡破壞情況反推的現(xiàn)場(chǎng)巖石的抗壓強(qiáng)度:1.25MPa。原因:在工程現(xiàn)場(chǎng),巖石中含有節(jié)理、裂隙、斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面。節(jié)理節(jié)理褶皺結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程穩(wěn)定性的影響露天礦邊坡滑坡露天破邊坡滑坡——楔形滑坡露天礦邊坡滑坡——平面滑坡因此,含有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體,與不含軟弱結(jié)構(gòu)面的小塊巖石,有很大的不同。巖體的強(qiáng)度要低得多,變形特性也有很大不同。因此,實(shí)驗(yàn)室得巖石試驗(yàn)是必要的,但它不能取代現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)。然而,現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)費(fèi)工費(fèi)時(shí),成本高昂。地下礦山往往難于進(jìn)行。即使進(jìn)行了巖體力學(xué)試驗(yàn),也因巖體力學(xué)指標(biāo)的分散性,而難于確定“準(zhǔn)確的”巖體參數(shù)。在實(shí)際的礦山工程中,通常只能根據(jù)室內(nèi)巖塊的試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行折減,得到巖體的強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。水電工程中,巖體力學(xué)試驗(yàn)要投入大量經(jīng)費(fèi)。但最后使用的參數(shù),仍然需要綜合考慮各方面的因素,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減。試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上只取到有限的參考作用。原因:安全系數(shù)要取得充分大。礦山工程面臨的問(wèn)題則不同。首先,資金有限,沒(méi)有錢做大量試驗(yàn)。其次,不是永久工程,萬(wàn)一發(fā)生問(wèn)題,造成的損失也沒(méi)有水電工程那樣大。事實(shí)上,大多數(shù)礦山工程都從未進(jìn)行過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。因此,礦山工程中經(jīng)常需要針對(duì)安全與否、生產(chǎn)如何決策,作出決定;然而,卻缺乏基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此,礦山地壓?jiǎn)栴},在相當(dāng)大的程度上,還需要依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。這是與水電工程相反的情況。然而,無(wú)論如何,礦山開(kāi)采中需要研究巖體的力學(xué)性質(zhì),因此也就需要研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)。由于巖石(小尺寸的巖石試塊)與現(xiàn)場(chǎng)巖體的不同,由于巖體的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,因此,在工程中,通常需要對(duì)巖體進(jìn)行分類,根據(jù)不同種類巖體的特點(diǎn),來(lái)進(jìn)行施工、支護(hù)等等。礦山傳統(tǒng)使用的f系數(shù),也是一種分類此法的缺點(diǎn):未考慮結(jié)構(gòu)面的影響,不全面。改進(jìn):加入結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度:很發(fā)育、中等發(fā)育、不發(fā)育,等等。按結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體分類這種分類方法不僅考慮巖體的強(qiáng)度,還考慮結(jié)構(gòu)面平均間距、結(jié)構(gòu)面的特性(強(qiáng)度、表面粗糙度等),更為全面。1.整體結(jié)構(gòu):當(dāng)巖體中沒(méi)有大的軟弱構(gòu)造面,節(jié)理裂隙也不發(fā)育,巖石試塊強(qiáng)度高,則屬于這一類巖石。2.塊狀結(jié)構(gòu):巖塊強(qiáng)度稍低,巖體中局部有破碎結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面間距稍小。3.層狀結(jié)構(gòu):巖體成層狀,結(jié)構(gòu)面間距更小。4.碎裂結(jié)構(gòu):巖體破碎,結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體強(qiáng)度低。5.散體結(jié)構(gòu):巖體十分破碎,呈散體狀。CSIR分類法這種分類法按照巖石試塊強(qiáng)度、巖芯質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件(寬度、粗糙度等)、地下水等情況來(lái)打分。最后,按照每種巖石的總分?jǐn)?shù)來(lái)確定巖石的類別??偡郑?0分:非常好的巖體;61-80分:好巖體;41-60分:一般巖體21-40分:不好的巖體;<20分:非常不好的巖體結(jié)論巖體是一種復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)。結(jié)構(gòu)面的存在是主要原因。第四部分影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素一、礦物成分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、礦物硬度的影響
礦物硬度大,巖石的彈性越明顯,強(qiáng)度越高。如巖漿巖,橄欖石等礦物含量的增多,彈性越明顯,強(qiáng)度越高;沉積巖中,砂巖的彈性及強(qiáng)度隨石英含量的增加而增高;石灰?guī)r的彈性和強(qiáng)度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高。變質(zhì)巖中,含硬度低的礦物(如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等)越多,強(qiáng)度越低。2、不穩(wěn)定礦物的影響化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物,如黃鐵礦、霞石以及易溶于水的鹽類,如石膏、滑石、鉀鹽等,具有易變性和溶解性。含有這些礦物的巖石其力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化。3、粘土礦物的影響含有粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石等)的巖石,遇水時(shí)發(fā)生膨脹和軟化,強(qiáng)度降低很大。二、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)的影響巖石的結(jié)構(gòu)——指巖石中晶?;驇r石顆粒的大小、形狀以及結(jié)合方式。巖漿巖:粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu);沉積巖:粒狀結(jié)構(gòu)、片架結(jié)構(gòu)、斑基結(jié)構(gòu);變質(zhì)巖:板理結(jié)構(gòu)、片理結(jié)構(gòu)、片麻理結(jié)構(gòu)。巖石的結(jié)構(gòu)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的差異上。例如:粒狀結(jié)構(gòu)中,等粒結(jié)構(gòu)比非等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高;在等粒結(jié)構(gòu)中,細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。
2、巖石構(gòu)造的影響巖石的構(gòu)造——指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。巖漿巖:顆粒排列無(wú)一定的方向,形成塊狀構(gòu)造;沉積巖:層理構(gòu)造、頁(yè)片狀構(gòu)造;變質(zhì)巖:板狀構(gòu)造、片理構(gòu)造、片麻理構(gòu)造。層理、片理、板理和流面構(gòu)造等統(tǒng)稱為層狀構(gòu)造。宏觀上,塊狀構(gòu)造的巖石多具有各向同性特征,而層狀構(gòu)造巖石具有各向異性特征。三、水對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石中的水水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響與巖石的孔隙性和水理性(吸水性、軟化性、崩解性、膨脹性、抗凍性)有關(guān)。水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在5個(gè)方面:連結(jié)作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用。結(jié)合水(連結(jié)、潤(rùn)滑、水楔作用)重力水(自由水)(孔隙壓力、溶蝕及潛蝕作用)。1、連結(jié)作用:束縛在礦物表面的水分子通過(guò)其吸引力將礦物顆粒拉近,起連結(jié)作用。這種作用相對(duì)于礦物顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度非常微弱,故對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響很小,但對(duì)于被土充填的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)影響很明顯。2、潤(rùn)滑作用:由可溶鹽、膠體礦物連結(jié)的巖石,當(dāng)水浸入時(shí),可溶鹽溶解,膠體水解,導(dǎo)致礦物顆粒間的連結(jié)力減弱,摩擦力降低,水起到潤(rùn)滑作用。3、水楔作用:當(dāng)兩個(gè)礦物顆??康煤芙?,有水分子補(bǔ)充到礦物表面時(shí),礦物顆粒利用其表面吸引力將水分子拉到自己周圍,在顆粒接觸處由于吸引力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入,這種現(xiàn)象稱為水楔作用。水楔作用的兩種結(jié)果:一是巖石體積膨脹,產(chǎn)生膨脹壓力;二是水膠連結(jié)代替膠體及可溶鹽連結(jié),產(chǎn)生潤(rùn)滑作用,巖石強(qiáng)度降低。4、孔隙水壓力作用:對(duì)于孔隙或裂隙中含有自由水的巖石,當(dāng)其突然受荷載作用水來(lái)不及排出時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高的孔隙水壓力,減小了顆粒之間的壓應(yīng)力,從而降低了巖石的抗剪強(qiáng)度。5、溶蝕-潛蝕作用:水在巖石中滲透的過(guò)程中,可將可溶物質(zhì)溶解帶走(溶蝕),有時(shí)將巖石中的小顆粒沖走(潛蝕),從而使巖石強(qiáng)度大為降低,變形增大。
水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響通常用軟化系數(shù)表示。四、
溫度對(duì)巖石力學(xué)性能的影響1、不同溫度下巖石的變形特征和強(qiáng)度一般而言,隨著溫度的增高,巖石的延性加大,屈服點(diǎn)降低,強(qiáng)度也降低。2、高溫高壓下巖石的破壞機(jī)理巖石在高溫高壓下產(chǎn)生微裂隙。例如花崗巖:(1)微破碎帶;(2)粒間微透鏡帶;(3)短程破裂;(4)扭折帶邊界破裂;(5)晶內(nèi)破裂;(6)顆粒邊界破裂。五、
加載速度對(duì)巖石力學(xué)性能的影響加載速度對(duì)巖石的變形性質(zhì)和強(qiáng)度指標(biāo)有明顯的影響:加載速度越快,測(cè)得的彈性模量越大,強(qiáng)度指標(biāo)越高。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)建議加載速度為0.5~1MPa/s,一般從開(kāi)始試驗(yàn)直至巖石試件破壞的時(shí)間為5~10分鐘。六、
受力狀態(tài)對(duì)巖石力學(xué)性能的影響巖石的脆性和塑性并非巖石固有的性質(zhì),而與巖石的受力狀態(tài)有關(guān),隨著受力狀態(tài)的變化,其脆性和塑性時(shí)可以相互轉(zhuǎn)化的。例如堅(jiān)硬的花崗巖在很高的地應(yīng)力條件下,表現(xiàn)出明顯的塑性變形。這與試驗(yàn)結(jié)果吻合。七、
風(fēng)化對(duì)巖石力學(xué)性能的影響風(fēng)化程度不同,對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響程度也不同:1、降低巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙程度并產(chǎn)生新的裂隙,使巖體分裂成更小的碎塊,進(jìn)一步破壞巖體的完整性。2、巖石在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中,礦物成分發(fā)生變化,原生礦物受水解、水化、氧化等作用,逐漸為次生礦物所代替,特別是產(chǎn)生粘土礦物,并隨著風(fēng)化程度的加深,這類礦物逐漸增多。3、由于巖石和巖體的成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變化,巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也隨之變化。一般:抗水性降低,親水性增高(如膨脹性、崩解性、軟化性增強(qiáng)),強(qiáng)度降低,壓縮性加大,孔隙性增加,透水性增強(qiáng)(但當(dāng)風(fēng)化劇烈,粘土礦物較多時(shí),透水性又趨于降)。第五部分有限單元法在礦山開(kāi)采中的應(yīng)用有限單元法是用假想的線將研究對(duì)象劃分為許多小的單元,單元數(shù)量為有限多,單元大小為有限大,因而稱為“有限元”。一般采用三角形或四邊形單元。把工程巖體分割成有限個(gè)單元體,假定每個(gè)單元體內(nèi)的應(yīng)力與外力都只通過(guò)單元的節(jié)點(diǎn)傳遞,并且各個(gè)單元之間保持著協(xié)調(diào)的變形;然后,以應(yīng)力應(yīng)變理論為基礎(chǔ),建立單元體的位移函數(shù)和確定應(yīng)變狀態(tài),根據(jù)靜力學(xué)的等效原理把作用在單元集合體上的各種力都移到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,建立整個(gè)單元集合體的平衡方程,利用電子計(jì)算機(jī)解這個(gè)方程,求出全部節(jié)點(diǎn)的位移,并利用材料力學(xué)性質(zhì)解出每個(gè)單元的應(yīng)力狀態(tài)。采用屈服準(zhǔn)則(實(shí)質(zhì)上是通過(guò)計(jì)算得到的圍巖應(yīng)力和位移值與圍巖強(qiáng)度和允許值進(jìn)行比較),判斷巖體的穩(wěn)定性。大量的實(shí)踐表明,有限元的數(shù)值模擬方法在研究地下硐室(采場(chǎng))圍巖應(yīng)力以及圍巖變形破壞的發(fā)展,進(jìn)而定量地評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性方面具有十分明顯的優(yōu)越性。它不僅可解決不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題,還可以模擬研究各種支護(hù)方案的有效性以及不同施工程序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響,所以,目前它已成為解決地下工程設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題的最有力的工具。有效單元法網(wǎng)格劃分應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行地下工程圍巖穩(wěn)定性分析要點(diǎn)如下:(1)原型調(diào)研及模型的建立為評(píng)價(jià)擬建地下工程圍巖的穩(wěn)定性,首先,也是最重要的,是要通過(guò)勘探、測(cè)試和試驗(yàn),正確闡明工程區(qū)的巖體力
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