矿山岩石力学.ppt

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1、矿山岩石力学矿山岩石力学主讲：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

2、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

3、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第四四章章 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

4、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

5、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

6、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、岩体内存在着原始应力场。、岩体内存在着原始应力场。主主要要包包括括重重力力和和地地质质构构造造力力，重重力力场场是是以以铅铅垂垂应应力力为为主，构造应力场

7、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。岩岩体体既既是是断断裂裂的的又又是是连连续续的的，岩岩体体是是断断裂裂与与连连续续的的统统一一体体,可可称称之之为为裂裂隙隙介介质质或或准准连连续续介介质质。当当岩岩体体应应力力超超过过其其强强度度时时，就就会会使使原原有有断断裂裂进进一一步步扩扩展展，形形成成新新的的断断裂裂。而而旧旧断断裂裂的的扩扩展展与与新新断断裂裂的的形形成成，又又均均会会导导致致岩岩体体内内的的应应力重新分布。力重新分布。岩岩体体既既不不是是理理想想的的弹弹性性体体，也也不不是是典典型型的的塑塑性性

8、体体，既既不不是是连连续续介介质质，又又不不是是松松散散介介质质，而而是是一一种种特特殊殊的的复复杂杂的的地地质质体体，这这就就造造成成了了研研究究它它的的困困难难性性和和复复杂杂性性。因因此此，只只用用一一般般的的固固体体力力学学理理论尚不能完善解决岩体工程中的所论尚不能完善解决岩体工程中的所有有问题问题。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

9、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

10、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质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论。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

11、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

12、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

13、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论他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。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

14、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世纪世纪3030年代年代6060年代）年代）该该阶阶段段是是岩岩石石力力学学学学科科形形成成的的重重要要阶阶段段，岩岩石石力力学学以以弹弹塑塑性性理理论论为为基基础础，将将岩岩体体视视为为弹弹塑塑性性介介质质，应应用用弹弹塑

15、塑性性力力学学方方法法来来研研究究岩岩体体的的应应力力、应应变变和和位位移移，确确定定了了一一些些经经典典计计算算公公式式，形形成成围围岩岩和和支支护护共共同同作作用用的的理理论论。结结构构面面对对岩岩体体力力学学性性质质的的影影响响受受到到重重视视。在在弹弹塑塑性性分分析析的的基基础础上上引引入入流流变变理理论论，将将某某些些岩岩体体视视为为带带粘粘性性的的介介质质，考考虑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）用用更更为为复复杂杂的的多多种种多多样样的的力力学学模模型型

16、来来分分析析岩岩体体力力学学问问题题，把把力力学学、物物理理学学、系系统统工工程程、现现代代数数理理科科学学、现现代代信信息息技技术术等等最最新新成成果果引引入入了了岩岩体体力力学学。而而计计算算机机的的发发展展使使用用有有限限元元、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世世纪纪7070年年代代以以后后岩岩石石力力学学发发展展比比较较迅迅速速，岩岩体体力力学学测测试试技技术术不不断断完完善善，应应力力解解除除法法可可测测试试深深部部岩岩体体应应力力。刚刚性性压压力力机机的的出出现现，可可测测试试应应力力应应变变全全过过程程曲曲线线，从从而而

17、更更深深刻刻的的揭示了岩石的力学特性。揭示了岩石的力学特性。岩岩体体力力学学已已逐逐渐渐形形成成完完整整的的科科学学体体系系作作为为力力学学的的一一个个分分枝，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

18、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

19、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、采采矿矿工工程程结结构构多多处处于于地地下下较较深深处

20、处，而而其其它它地地下下工工程程多多在距地表较近（几十米）的范围内；在距地表较近（几十米）的范围内；2 2、对对矿矿山山构构筑筑物物，只只要要求求在在开开采采期期间间不不破破坏坏，在在采采后后能能维维持持平平衡衡状状态态不不影影响响地地表表安安全全即即可可。因因此此，其其计计算算精精度度、安安全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、矿矿山山地地质质条条件件复复杂杂，又又受受矿矿床床赋赋存存条条件件的的限限制制，因因此此，采采矿矿工工程程结结构构物物的的位位置置选选择择性性不不大大，同同时时，采采掘掘工工作作面面不不断断变化，因而，采矿

21、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、岩岩体体力力学学与与材材料料力力学学、弹弹塑塑性性力力学学和和流流变变力力学学等等有有着着纵纵向联系。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体力学得到发展。2 2、岩岩体体工工程程的的围围岩岩赋赋存存在在一一定定的的地地质质环环境境之之中中。因因此此，岩岩体体力力学学与与工工程程地地质质学学、构构造造地地质质学学和和地地质质力力学学有有着着十十分分密密切的联系。切的联系。3 3、岩岩体体力力学学是是为为解解决决岩岩体体工工程程中中的的力力学学问问题题服服务务

22、的的，这这些些工工程程学学科科包包括括：采采矿矿和和其其它它地地下下空空间间工工程程、交交通通工工程程、水水电电工工程程和和基基础础工工程程等等。因因此此，岩岩体体力力学学是是各各种种岩岩体体工工程程学学科的专业理论基础。科的专业理论基础。六、岩体力学与其他学科的关系岩体力学的分支学科l工工程程岩岩体体力力学学为为各各类类建建筑筑工工程程及及采采矿矿工工程程等等服服务务的的岩岩体体力力学学，重重点点是是研研究究工工程程活活动动引引起起的的岩岩体体重重分分布布应应力力以以及及在在这这种种应应力力场场作作用用下下工工程程岩岩体体(如如边边坡坡岩岩体体、地地基基岩体和地下洞室围岩等岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。的变形和稳定性。l构构造造岩岩体体力力学学为为构构造造地地质质学学、找找矿矿及及地地震震预预报报等等服服务务的的岩岩体体力力学学，重重点点是是探探索索地地壳壳深深部部岩岩体体的的变变形形与与断断裂裂机机理理，为为此此需需研研究究高高温温高高压压下下岩岩石石的的变变形形与与破破坏坏规规律律以及与时间效应有关的流变特征。以及与时间效应有关的流变特征。l破破碎碎岩岩石石力力学学为为掘掘进进、钻钻井井及及爆爆破破工工程程服服务务的的岩岩体体力力学学，主主要要是是研研究究岩岩石石的的切切割割和和破破碎碎理理论论以以及及岩岩体体动动力学特性。力学特性。