礦山壓力與巖層控制

1、礦山壓力與巖層控制一、課程性質及任務： 礦山壓力及其控制是煤礦開采技術專業(yè)的必修專業(yè)課。 任務： 應力分布規(guī)律 1、掌握三個規(guī)律 巖層移動規(guī)律 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 2、掌握二個原理 工作面支架與圍巖相互作用原理 巷道支架與圍巖相互作用原理 3、掌握一套方法 ： 礦壓控制方法二、課程學習基本要求： 了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點； 了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法； 初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力； 能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面； 能合理設計回采工作面、巷道的圍巖控制方式。第一章 礦山巖石和巖體的基本性質 巖石的物理力學性質是巖體最基本、最重要的性質之一，也是巖石力學中研究

2、最早、最完善的內容之一。本章介紹：巖石的地質構成及分類； 巖石物理、力學性質及測定； 巖石的破壞機理和強度理論； 巖體及其力學特征。 第一節(jié) 巖石的基本物理性質 一、巖石： 巖石：礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。 （巖石 = 礦物顆粒 + 膠結物 + 孔隙 + 水） 礦物：存在地殼中的具有一定化學成分和物理性質的自然元素和化合物。 結構：組成巖石的物質成分、顆粒大小和形狀以及其相互結合的情況。 (結晶、膠結) 構造: 組成成分的空間分布及其相互間排列關系。 （節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結構、構造是影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素 。 巖漿巖：強度高、均質性

3、好二、巖石地質分類 沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性(示例) 變質巖：不穩(wěn)定，與變質程度和巖性有關三、沉積巖石的力學特性：不連續(xù)性；（物質不能充滿空間，有空隙存在）各向異性；（任一點的物理、力學性質沿不同方向均不相同）不均勻性；（由不同物質組成，各點物理力學性質都不相同）巖塊單元的可移動性；地質因素影響特性（水、氣、熱、初應力）（上述特性導致巖石力學的研究方法以實驗測試為主）四、巖石的密度與體積力（容重） 巖石含：固相、液相、氣相。 Vo 三相比例不同而密度不同。 Vc V 1、巖石的真密度 ： 真密度單位體積巖石（不包含空隙）的質量： 其中：巖石真密度，kg/m3 巖石實體干質量（不含水分），k

4、g 巖石實體體積（不含孔隙），m3 2、巖石的視密度 ： 視密度單位體積巖石（包括孔隙）的質量式中：巖石的視密度，kg/m3 巖石的質量，kg 巖石的體積（含孔隙），m3 分為：天然視密度、飽和視密度和干密度 3、巖石的容重（體積力）： 容重巖石單位體積（含孔隙體積）的重力， kN/m3 式中： W被測巖樣的重量, （ ） kN； V被測巖樣的體積，m3 天然容重天然含水狀態(tài)下, 干容重105110烘干24小時（至恒重）, d 飽和容重巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時）狀態(tài)下, w 4、巖石的相對密度（比重）： 比重巖石固體部分的重量和4同體積純水重量的比值。 式中：WS體積為V的巖石，固體部分

5、重量，kN VC巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3 W4同體積純水重量，kN/m3 五、巖石的孔隙性反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。 1、孔隙率n孔隙體積占總體積的百分比。 2、孔隙比e巖石中各類孔隙總體積與巖石實體體積之比。 ne關系： 巖石的孔隙性對圍巖強度、變形、含水影響很大。六、巖石的碎脹性巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質。 1、初始碎脹系數(shù)破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。 2、殘余碎脹系數(shù)破碎并被壓實后的體積與原體積之比。 式中： 分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實體積。 巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運輸?shù)扔兄匾饬x。 七、巖石的軟化性 巖石浸水后強度降低的性質。

6、軟化系數(shù)飽水巖樣抗壓強度與自然風干巖樣抗壓強度的比值。 （ ） 越小，表示巖石受水的影響越大。 巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。八、巖石的膨脹性巖石浸水后體積膨脹的性質。（用于評價膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。 軸向自由膨脹 （%） H試件高度 徑向自由膨脹 （%） D直徑 膨脹性和崩解性對礦井開拓施工和巷道穩(wěn)定性有不利影響。九、巖石耐崩解性巖石抵抗水浸后結構破壞的性能。 耐崩解指數(shù)巖石試件進行烘干、浸水循環(huán)試驗。 （測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內，使圓筒在水槽中以20rs速度連續(xù)轉10分鐘

7、，然后將留在圓筒內的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)。）第二節(jié) 巖石的強度和變形特性工程師對工程材料提出兩個問題： 1 最大承載力許用應力 ？ 2 最大允許變形許用應變 ？ 在巖石工程中要使： 實際參數(shù)允許指標巖石的力學性質包括： 變形性質：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。 強度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。 一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準則） 1、 彈性變形： （縮短為正，壓應力為正）線彈性非線彈性 滯彈性線彈性應力應變呈直線關系；當巖石致密，強度大，壓力不高時，為此狀態(tài)。非線彈性應力應變不是直線關系，卸載時應力應

8、變沿原來的曲線返回原點。 呈單向曲線型。 基本沒有。 滯彈性應力應變?yōu)殡p向曲線型，卸載后應力應變沿另一條曲線返回原點。 巖石多屬滯彈性：滯彈性應力應變不是唯一的對應關系，應變的產(chǎn)生（變化）較應力 的變化有一段時間的滯后。 原因：物理學認為，當作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時，由于受力體內部物質的粘性或內摩擦的原因，引起變形效應滯后和遲延。 滯彈性體具有兩個重要性質：彈性滯后由于內摩擦原因，巖石隨應力變化出現(xiàn)的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導等原因，外力停止變化，而變形仍隨時間而緩慢 變化。 理想塑性具有應變硬化的塑性2、塑性變形：巖石的塑性變形是指巖石在外力作用下當超過其屈服極限應力時仍能發(fā)生變形

9、，撤去外力后不能完全恢復其原始狀態(tài)的性質，亦稱殘余變形。 巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、結構、構造及外界環(huán)境有關。 （顆粒及膠結物物質成分、排列結合、含水、溫度、應力等） 理想塑性超過彈性極限，進入完全塑性狀態(tài)（極少）； 應變硬化超過彈性極限，承載能力隨應變增加而增加。 3、一般巖石的變形： 瞬時彈性變形 后效彈性變形 塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應力不高階段，內部結構即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時，產(chǎn)生塑性變形。 巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。有彈塑；塑彈；彈粘塑；粘彈等多種變形特性。典型變形性質：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹

10、型彈粘平緩 型塑彈塑S 型二、巖石單向壓縮變形性質： 1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗機下巖石應力、應變曲線脆性巖石應力、應變曲線塑性巖石應力、應變曲線試驗機3、全應力應變曲線： 四個階段： OA原有裂隙壓密階段。彈性模量較小且不是一個常數(shù)。 AC線彈性階段，應力應變呈直線關系，B點為彈性極限。 CD彈塑性過渡階段，應力達到2/3峰值強度時，巖石開始有微破裂不斷產(chǎn) 生，巖石體積有壓縮轉向膨脹，C點為屈服點。 DE破裂后階段（應力降低階段、殘余應力階段） 剛性試驗機下巖石全程應力、應變曲線4、巖石的變形指標及其確定： 彈性摸量E：（抵抗變形的能力、應力應變比值） 線彈性： 直線斜率 非線彈性

11、： 切線斜率 （變形曲線導數(shù)）； 割線斜率 （割線斜率）； 彈塑性： 彈性摸量：E = 加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率； 變形摸量：泊松比：（變形傳遞能力） 泊松比巖石橫向應變與縱向應變的比值。 在彈性階段：其為常數(shù)。 在塑性階段：不為常數(shù)。 （嚴格講，僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用 , 由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，最大為0.5。) 剪切摸量G剪切虎克定律比例系數(shù)。拉梅常數(shù)將應力應變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。體積摸量Kv體積彈性摸量。5、巖石變形中的擴容現(xiàn)象： 擴容現(xiàn)象巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內部小塊體相對滑移， 導致體積擴大的現(xiàn)象。 體應變變形后的體積增量與變形前體積之比。 體應變

12、曲線：三個階段：體積減小階段0F 體積不變階段F 體積擴大階段FT縱向橫向體積T三、巖石三軸壓縮變形性質： 1、三軸實驗： （真三軸、假三軸） 2、三軸抗壓強度： 3、三軸變形特征： 與單軸試驗結果基本類似（E、基本相同）； 圍壓增加三向抗壓強度增加； 峰值變形增加； 彈性極限增加； 巖石由彈脆性彈塑性應變硬化轉變 干砂巖濕砂巖四、巖石流變性質： 1、巖石流變性質巖石 隨時間增長而變化的性質。 2、流變現(xiàn)象： 蠕 變應力不變，應變隨時間增加而增長的現(xiàn)象。 （當 時 ） 松 弛應變不變，應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。 （當 時 ） 彈性后效停止加、卸載，應變需經(jīng)一段時間達到應有值的現(xiàn)象。 粘性流動

13、蠕變后卸載，部分變形不能恢復的現(xiàn)象。 與巖石類別有關（粘土礦物巖石蠕變顯著） 巖石蠕變 與應力大小有關（高應力蠕變明顯，超過極限 應力，蠕變進入不穩(wěn)定階段） 蠕變試驗：時間長； 測量要求精度高（用千分表）； 載荷恒定。 研究蠕變的意義：了解巖石的長時強度。 長時強度巖石蠕變破壞時的最低應力值。 長時強度對巖土工程更為重要。 長時強度 強度 1m3） 巖體 = 巖塊 + 結構面 結構面（弱面）在地質歷史形成的具有一定方向、厚度較小和一定延展長度的地址界面。如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。 （堅硬無充填結構面、軟弱有充填結構面、夾層） 結構體（巖塊）被各類結構面切割成的巖石塊體。 （塊狀、板狀）

14、結構面的接觸類型： 巖體 = 巖塊 + 弱面二、巖體結構基本類型： （按結構面切割狀況及結構體類型分為六種） 完整結構 塊狀結構 層狀結構 碎裂結構 斷續(xù)結構 散體結構整體結構 塊狀結構 層狀結構碎裂結構 斷續(xù)結構 散體結構壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側向變形不明顯；彈性階段：結構體開始承載變形，應力應變正比，呈彈性；塑性階段：過屈服點，結構體變形，結構面產(chǎn)生滑移變形，擴容、應變強化；破壞階段：強度限后，出現(xiàn)沿結構面滑移和結構體轉動，擴容，出現(xiàn)新裂縫。 破壞后，由于巖體尺寸大，仍能夠靠塊體間摩擦承受一定載荷。 一、巖體變形曲線： 第五節(jié) 巖體的基本力學性質與分級標準1、巖塊的強度：

15、可承受壓、剪或低值拉應力，以剪切破壞為主：2、結構面強度特征： 不能承受拉應力； 可承受垂直面的壓應力； 可承受沿面剪應力（與其上正應力有關）； 以剪切破壞為主。 二、巖體的強度特征巖體強度是巖塊、弱面強度的綜合反映，介于巖塊、弱面 強度之間。 壓縮性質剪切性質3、巖體強度： 介于結構面、巖塊之間。滿足無拉力準則（受 拉處即破壞）巖體結構面1、結構面對巖體強度的影響：結構面方位對巖體強度的影響 結構面與主應力方向不同，對巖體強度影響不同。 結構面位于剪切面位置時，巖體強度最小。三、巖體的強度影響因素L1具有兩組相互垂直節(jié)理時巖體強度的變化曲線L2L2L1多組結構面導致巖體各項同性。最小強度域

16、結構面組數(shù)越多，巖體強度越接近結構面強度。 結構面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。 對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能使用巖塊強度，只能使用弱面強度或弱面摩擦強度研究破壞問題。 2、試件尺寸 各種巖體變形實驗表明，巖體強度隨試驗件尺寸的增大而減小3、環(huán)境圍壓環(huán)境圍壓對巖體(尤其是節(jié)理化巖體)變形和強度都產(chǎn)生很大的影響。（1）圍壓的大小影響巖體的破壞方式。高圍壓時形成穿切巖石材料的共軛剪切面破壞，低圍壓時，沿結構面滑動或松脹解體，形成軸向劈裂破壞。（2）巖體抗剪強度隨圍壓的增大而增大，但不是直線關系，在低圍壓情況下增大得快，高圍壓增大得饅。（3）圍壓增大，巖體的變形模量也明顯提高。（4）巖體中結構面的力學效應隨圍壓的增大而減小，當圍壓達到某一臨界值時，巖體中結構面效應完全消失此時巖體從脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?、孔隙水壓由于孔隙水壓的存在，使巖體中固體顆粒或骨架所承受的壓力隨之減小。巖體強度也就相應地降低。四、巖體的分級標準1、RQD分類法其中巖石質量指標RQD值是迪爾（1964）提出的它是鉆孔中直接獲取的巖心總長度L，扣除破碎巖心和軟弱夾泥的長度后的長度 ，與鉆孔總進尺H之比，即 RQD(L- )/H。根據(jù)它可將巖石劃分為五個質量等級。2、RMR分類法 比尼奧斯基利用巖體的“綜合特征值”對其進