矿山岩石力学ppt课件.ppt

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1、主讲：高明中主讲：高明中 教授教授 赵光明赵光明 副教授副教授 博士博士安徽理工大学能源与安全学院安徽理工大学能源与安全学院安徽理工大学能源与安全学院安徽理工大学能源与安全学院安徽理工大学能源与安全学院安徽理工大学能源与安全学院1. 1. 矿山岩体力学（主要教材）矿山岩体力学（主要教材） 高延法，张庆松主编高延法，张庆松主编. .徐州徐州: :中国中国矿业大学出版社，矿业大学出版社，200020002. 2. 矿山岩石力学（主要教材、作业）矿山岩石力学（主要教材、作业） 李通林等编著李通林等编著 重庆大学出重庆大学出版社版社 19911991年年1 1月第月第1 1版版3. 3. 岩石力学基础

2、岩石力学基础 耶格、库克耶格、库克 高教出版社高教出版社4. 4. 矿山岩体力学矿山岩体力学 郑永学编著郑永学编著 冶金工业出版社冶金工业出版社 19881988年年1010月第月第1 1版版5. 5. 岩体力学，王文星编著岩体力学，王文星编著 中南大学出版社中南大学出版社 20042004年年1010月第月第1 1版版6. 6. 岩石力学与工程岩石力学与工程 蔡美峰主编蔡美峰主编 科学出版社科学出版社 20042004年年8 8月第月第1 1版版7. 7. 岩体力学岩体力学 沈明荣主编沈明荣主编 同济大学出版社同济大学出版社 19991999年年3 3月第月第1 1版版8. 8. 矿山岩体力

3、学矿山岩体力学 高磊等编著高磊等编著 冶金工业出版社冶金工业出版社 19791979年年7 7 月第月第1 1版版9. 9. 矿山岩石力学矿山岩石力学 华安增编著华安增编著 煤炭工业出版社煤炭工业出版社 19801980年年5 5月第月第1 1版版 教材及参考书教材及参考书 总总 学学 时：时： 38 学时学时 其其 中：中： 理论学时：理论学时： 32 学时学时 实验学时：实验学时： 6 学时学时 授课计划授课计划第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质第三章第三章 结构面的力学性质结构面的力学性质第四第四章章 岩体力学性质及其分类岩体力学性质及其分类第五章第

4、五章 原岩应力及测量原岩应力及测量 第六章第六章 巷道围岩应力分布及稳定性分析巷道围岩应力分布及稳定性分析 第七章第七章 井巷地压井巷地压第八章第八章 井巷维护原则与锚喷支护井巷维护原则与锚喷支护 授授 课课 内内 容容 第一章 绪 论本章内容：本章内容：一、一、 岩石和岩体岩石和岩体二、二、 岩体的特征岩体的特征三、三、 岩体力学的研究内容和研究方法岩体力学的研究内容和研究方法四、四、 岩体力学的产生及其发展岩体力学的产生及其发展五、五、 采矿工程中岩体力学的特点采矿工程中岩体力学的特点六、六、 岩体力学与其他学科的关系岩体力学与其他学科的关系 第一章 绪 论授课学时：授课学时：1 1学时学

5、时本章的重点：本章的重点：1 1、岩石与岩体的界定；、岩石与岩体的界定；2 2、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。关键术语：岩石；岩体；岩体工程；稳定性关键术语：岩石；岩体；岩体工程；稳定性要求：要求：1 1、必须掌握本课程重点内容；、必须掌握本课程重点内容；2 2、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中的地位。的地位。一、岩石和岩体 岩石岩石是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分和一定的结构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是和一定的结

6、构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是各种裂隙切割而成的岩块，又称各种裂隙切割而成的岩块，又称结构体结构体。 岩体岩体是个地质体，它包括岩石和各种地质构造形迹，是个地质体，它包括岩石和各种地质构造形迹，如节理、裂隙、褶皱等结构面。岩体就是岩石和这些结如节理、裂隙、褶皱等结构面。岩体就是岩石和这些结构面的统一体。构面的统一体。 岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。二、岩体的特征1 1、岩体是非均质各向异性的材料。岩体是非均质各向异性的材料。2 2、岩

7、体内存在着原始应力场。、岩体内存在着原始应力场。 主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构造应力场通常是以水平应力为主。主，构造应力场通常是以水平应力为主。 3 3、岩体内存在着一个裂隙系统。、岩体内存在着一个裂隙系统。 岩体既是断裂的又是连续的，岩体是断裂与连续的统岩体既是断裂的又是连续的，岩体是断裂与连续的统一体一体, ,可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超过可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超过其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。而旧断裂的扩展与新断裂的形

8、成，又均会导致岩体内的应而旧断裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。力重新分布。 岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。二、岩体的特征三、岩体力学的研究内容与研究方法 岩体力学研究的主要对象是岩体，研岩体力学研究的主

9、要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的究岩体在力场作用下，所发生的变形、破变形、破坏和移动坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。是一门应用型基础学科。1、岩体力学研究的内容： 岩体的地质特征岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质岩体的力学性质 岩体中天然应力岩体中天然应力 岩体中重分布应力岩体中重分布应力 地下硐室围岩稳定性计算与评价地下硐室围岩稳定性计算与评价 工程处理与加固工程处理与加固2、岩体力学的研究方法、岩体力学的研究方法工程地质研究法工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，研究岩

10、块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。 试验法试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。力学参数。 数学力学分析法数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据为设计和施工提供定量依据 。综合分析法综合分析法 采用多种方法考虑各种因素采用多种方法考虑各种因素( (包括工程的、包括工程的、地质的及施工的等地

11、质的及施工的等) )进行综合分析和综合评价，得出符进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论。合实际情况的正确结论。四、岩体力学的产生及其发展 岩体力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工岩体力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等铁

12、道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面，岩体力学是众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面，岩体力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩体力学的诞生和发展。的实践促使了岩体力学的诞生和发展。 岩体力学按其发展进程可划分四个阶段：岩体力学按其发展进程可划分四个阶段：（1 1） 初始阶段初始阶段(19(19世纪末世纪末-20-20世纪初世纪初) ) 岩体力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，岩体力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开采规模小，采深近于地表，开采空间不大，岩开采

13、规模小，采深近于地表，开采空间不大，岩石力学的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所石力学的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所引起的地表移动。引起的地表移动。 在该阶段，岩石力学处于萌芽时期，产生了在该阶段，岩石力学处于萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。例如，初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。例如，19121912年海姆年海姆(A(AHeim)Heim)提出了静水压力的理提出了静水压力的理论他认为地下岩石处于一种静水压力状态。论他认为地下岩石处于一种静水压力状态。（2 2）经验理论阶段（）经验理论阶段（2020世纪初世纪初2020世纪世纪3030年代）年代） 该阶段为岩石力

14、学发展的第二阶段。在这个该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段出现力根据生产经验提出的阶段出现力根据生产经验提出的地压理论地压理论，并开，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。松散介质学派（例如普氏理论）占主支护问题。松散介质学派（例如普氏理论）占主导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理和采场地压假说。提出巷道地压计算原理和采场地压假说。 在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。（3 3）经典理论阶段（）经典理论阶段（2020

15、世纪世纪3030年代年代6060年代）年代） 该阶段是该阶段是岩石力学学科形成的重要阶段岩石力学学科形成的重要阶段，岩，岩石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、应变和位移，确定了一些经典计算公式，形成围应变和位移，确定了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响受到重视。在弹塑性分析的基础上引入质的影响受到重视。在弹塑性分析的基础上引入流变理论，将某些岩体视为带粘性的介质，考虑流变理论，将某些

16、岩体视为带粘性的介质，考虑时间因素对岩体应力、应变和位移的影响。时间因素对岩体应力、应变和位移的影响。（4 4）现代发展阶段（）现代发展阶段（2020世纪世纪6060年代现在）年代现在） 用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问题，用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新成果引入了岩体力学。而计算机的发展使用有限元、等最新成果引入了岩体力学。而计算机的发展使用有限元、边界元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。边界元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。 2020世纪世纪7

17、070年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学测年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学测试技术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚性压试技术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚性压力机的出现，可测试应力应变全过程曲线，从而更深刻的力机的出现，可测试应力应变全过程曲线，从而更深刻的揭示了岩石的力学特性。揭示了岩石的力学特性。 岩体力学已逐渐形成完整的科学体系作为力学的一个分岩体力学已逐渐形成完整的科学体系作为力学的一个分枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。n19511951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成年，在奥地利创建了地质

18、力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。了独具一格的奥地利学派。n同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。n19561956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。n19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学专著出版。专著出版。n19591959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。者的关注和研究。n19621962年，成立国际岩石力学学会年，成立国际岩石力学学会(ISRM)(ISRM)。n19661966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯年，第一届国

19、际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。本召开。岩体力学形成历史岩体力学形成历史岩体力学发展动态岩体力学发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水水- -岩岩- -应力耦合作用及岩体工程稳定性问题应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体

20、结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。 1 1、采矿工程结构多处于地下较深处，而其它地下工程多、采矿工程结构多处于地下较深处，而其它地下工程多在距地表较近（几十米）的范围内；在距地表较近（几十米）的范围内； 2 2、对矿山构筑物，只要求在开采期间不破坏，在采后能维、对矿山构筑物，只要求在开采期间不破坏，在采后能维持平衡状态不影响地表安全即可。因此，其计算精度、安全持平衡状态不影响地表安全即可。因此，其计算精度、安

21、全系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准； 3 3、矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件的限制，因此，、矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件的限制，因此，采矿工程结构物的位置选择性不大，同时，采掘工作面不断采矿工程结构物的位置选择性不大，同时，采掘工作面不断变化，因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。变化，因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。五、采矿工程中岩体力学的特点1 1、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。向联系。人们运用这些理论使岩

22、体力学得到发展。2 2、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。因此，岩、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。因此，岩体力学与工程地质学、构造地质学和地质力学有着十分密体力学与工程地质学、构造地质学和地质力学有着十分密切的联系。切的联系。3 3、岩体力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的，这些、岩体力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的，这些工程学科包括：采矿和其它地下空间工程、交通工程、水工程学科包括：采矿和其它地下空间工程、交通工程、水电工程和基础工程等。因此，岩体力学是各种岩体工程学电工程和基础工程等。因此，岩体力学是各种岩体工程学科的专业理论基础。科的专业理论基础。六、岩体力学与其

23、他学科的关系岩体力学的分支学科l工程岩体力学工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体以及在这种应力场作用下工程岩体( (如边坡岩体、地基岩如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等体和地下洞室围岩等) )的变形和稳定性。的变形和稳定性。l构造岩体力学构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。及与时间效应有关的流变特征。l破碎岩石力学破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。学特性。